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Full text of "Le Scienze, n. 95"

numero 95 
luglio 1976 
annoix 
volume xvn 



LE SCIENZE 






, SCI ENTI FIC 
AMERICAN 



Il metabolismo dell'alcool 

L'eccessivo consumo di bevande alcooliche può causare cirrosi e morte non 
solo perché favorisce la denutrizione, ma anche perché l'alcool e i suoi 
prodotti alterano il metabolismo del fegato e ne danneggiano le cellule 

di Charles S. Lieber 



Per quanto l'opinione pubblica si oc- 
cupi prevalentemente degli effetti 
dell'eroina, della cocaina e delia 
marijuana, La droga psicotropa più dif- 
fusa negli Stari Uniti e in quasi tutte le 
altre società umane è l'alcool. I suoi ef- 
fetti psichici, sta positivi che negativi, 
sono ben noti. Quello che è meno noto è 
che l'alcool, a dosi diverse secondo gli 
individui, può rappresentare una vera e 
propria droga ad azione tossica: il suo 
eccessivo consumo altera l'intera econo- 
mia dell'organismo, induce lesioni pato- 
logiche nelle cellule del fegato e modifica 
la funzionalità epatica provocando inva- 
lidità e morte. La percentuale degli al- 
colizzati fra la popolazione statunitense 
è andata aumentando parallelamente al- 
l'incidenza della cirrosi epatica, la quale 
nel 1974 ha superato arteriosclerosi, in- 
fluenza e polmonite sino a raggiungere il 
settimo posto fra le principali cause di 
morte; in alcuni centri urbani (inclusa 
New York) la cirrosi rappresenta oggi, 
per frequenza, la terza fra le cause di 
morte dei soggetti in età compresa fra i 
25 e i 65 anni, Questa forma morbosa 
merita uno studio particolare. Soliamo 
da poco le alterazioni del tessuto epatico 
e della funzionalità del fegato sono state 
direttamente correlate a fasi specifiche 
del metabolismo alcoolico, consentendo 
cosi per la prima volta di sperare che si 
possano elaborare metodi razionali di 
prevenzione e cura delle affezioni epati- 
che dovute all'alcool. 

Quando si parla di alcool si intende, 
ovviamente, l'alcool etilico o etanolo 
(CHsCHiOH). L'etanolo è molto proba- 
bilmente antico quanto la vita stessa: se 
per l'uomo è una bevanda, per i lieviti 
che lo producono costituisce soltanto un 



prodotto di scarto, L'etanolo acquista le 
sue caraneristiche soltanto dopo la fer- 
mentazione, il processo mediante il quale 
i lieviti, attraverso razione di loro parti- 
colari enzimi, ottengono l'energìa dai va- 
ri zuccheri vegetali. L'uomo ha con mol- 
ta probabilità conosciuto l'etanolo sin 
dai tempi preistorici sotto forma di suc- 
chi di frutta naturalmente fermentati (vi- 
no), miele (idromele), cereali trasformati 
in malto (birra). 

Sin dalle osservazioni anatomiche com- 
piute da Vesalio nel XVI secolo si è 
riconosciuto che l'eccessiva ingestione di 
alcool si accompagnava a malattie di 
parecchi tessuti, soprattutto di quelli del 
fegato. Sino a poco tempo fa, tuttavia, 
tali malattie erano attribuite non all'ai- 
eoo! in sé, ma alta denutrizione che spes- 
so si associa all'abitudine di ingerire be~ 
vande alcooliche in quantità eccessiva. 
L'alcool non era considerato una droga, 
ma un particolare tipo di alimento con 
determinati effetti psicotropi, il quale 
poteva essere metabolizzato dall'organi- 
smo come un qualsiasi altro nutrimento 
energetico. Àncora nel 1949 il famoso 
fisiologo Charles H, Best e i suoi colle- 
ghi scrivevano che ìl contributo metabo- 
lico dell'alcool era soltanto quello dì for- 
nire calorie e che «non si avevano prove 
di un effetto tossico specifico dell'alcool 
etilico puro sulle cellule epatiche più di 
quante se ne avessero per lo zucchero». 
Forse era lo stesso apprezzamento per le 
bevande alcooliche di una parte della 
popolazione (medici compresi) che dava 
come fatto accettato il concetto che l'al- 
cool fosse privo di effetti tossici. 

Si trattava comunque di una convin- 
zione piuttosto ingenua. L'etanolo ha 
ben poco in comune con gli altri compo- 



sti ad alto contenuto energetico. Carboi- 
drati e lipidi possono essere sintetizzati 
all'interno dell'organismo oppure ingeri- 
ti con gli alimenti, mentre l'alcool rap- 
presenta una sostanza essenzialmente e- 
stranea al corpo. Come i carboidrati e ì 
lipidi, l'alcool possiedi.- un elevalo valore 
calorico ed è rapidamente assorbito at- 
traverso il tratto gastrointestinale, tutta- 
via, non può venire immagazzinato nei 
tessuti. Inoltre, solo quantità molto ri- 
dotte di alcool possono essere eliminate 
attraverso i polmoni e i reni in modo che 
l'organismo può sbarazzarsene soltanto 
ossidandolo. Àncora, diversamente da 
carboidrati e lipidi, che vengono ossidati 
in quasi tutti i tessuti, l'alcool può essere 
sottoposto a ossidazione solamente nel 
fegato, l'organo che contiene la maggior 
parte deelr enzimi necessari a iniziare 
tale processo, L 'organo-specificità del- 
l'alcool spiega i suoi deleteri effetti a 
livello del fegato, che rappresenta l'area 
di maggior attività chimica del corpo 
umano, il eentro primario dei processi 
metabolici che vanno dalla sintesi delle 
proteine all'azione disintossicante nei 
confronti dei farmaci e di altre sostanze, 

Scopo del presente lavoro è di riferire 
come le ricerche condotte dall'autore 
presso il Bronx Veterans Àdministration 
Hospital e la Mount Sinai School of 
Medicine dell'Università di New York di- 
mostrino che la tossicità dell'alcool verso 
il fegato sia indipendente dalla denutri- 
zione e come fasi specifiche del metabo- 
lismo dell'alcool siano correlate ad alte- 
razioni del fegato e di altri tessuti. 

Esistono molivi socioeconomici e fi- 
siologici che spiegano la denutrizione 
nel soggetto alcolizzato. Questi infatti 
spreca tempo, denaro ed energie nel bere 







■ * 









•m 



Degenera/ione grassa dii fegato to sitatosi J ottenuta in ratti di labora- 
torio mediante somminisl razione ili alcool e malgrado una dieta suffi- 
ciente. In quelle microf olografìe sono visibili sezioni dì tessuto epatico 
di ratio ingrandite- 240 volle. À sinistra, tessuto di ratio mantenuto a 





dieia liquida prha di alcool» A destra, tessuto epatico di ratto a cui è 
stata som mi distra la una dieta liquida contenente alcool pari al 36 per 
cento delle calorie totali. Dopo 24 giorni la mie mi olografia del fegato 
del secondo ratio mostra la presenza dì numerose goccioline lipidiche. 




MiM 



Uleru/ìoni onerosi ni minili rivelale da micTolotografie elettroniche 
eseguite da Oscar A. Jsvri e da ir a ut ore in cui una por/ io ne della 
cellula epatica è ingrandita 16 mila volle. Nel legato di controllo \a 
sinistra) gli orfanelli grigi con membrane introflesse (creste) sono 
mitocondri normali; fra di essi sono visibìli strie parallele di reticolo 



cndoplasmico rugoso costellato di rihosomì unitamenle a reticolo 
endoplasmìeo liscio I sacciforme). Nel fegato del ratto cui è stalo 
somministrato clamilo fa delira) i mitocondri appaiono rigonfiali e 
deformati; in alcuni la membrana esterna e le ireste sono distrutte. 
Si noli una marcata proliferazione del reticolo endoplasmico liscio. 



e può trascurare la preparazione degli 
alimenti e dimenticare anche di mangia- 
re, Diversamente dalle altre droghe, l'al- 
cool possiede un elevato valore calorico: 
7,1 calorìe per grammo, cosicché mezzo 
litro di una bevanda alcoolica a circa 40 
gradi (consumo non insolito per un al- 
cool i zzato) rappresenta pressappoco la 
metà del fabbisogno quotidiano calorico. 
Di conseguenza può diminuire il desiderio 
per il cibo. Le calorie delPetanolo sono, 
tuttavia, «calorie inutilizzabili» che non 
forniscono proteine, minerali e vitamine. 
Inoltre» Talcool può aggravare diretta- 



mente la denutrizione. Provocando ga- 
strite, pancreatite e colite può alterare la 
digestione e V assorbimento; la denuiri- 
zìone può, a sua volta, diminuire la fun- 
zionalità intestinale. Infine, l'etanolo e il 
suo principale prodotto di conversione, 
Pacetaldeide-, possono interferire con 
l'attivazione delle vitamine da parte delie 
cellule epatiche. Di conseguenza, la de- 
nutrizione è un fenomeno comunemente 
osservabile negli alcolizzati ed essa, da 
sola, può alterare la funzionalità epatica, 
come hanno dimostrato in maniera ine- 
quivocabile le osservazioni eseguite sugli 




Cirrosi epatica indotta in un babbuino al quale sono siali somministrali per quattro unni con- 
secativi elevali quanlilalivi di alcool etilico. Questa sezione di fegato, ingrandita 70 volte, mo- 
stra la presenza di spessi filamenti di lessino connettivo fibroso, simile a tessuto cicatriziale, che 
hanno alteralo la precedente regolare struttura delle cellule epatiche, separando formazioni 
nodulari costituite da cellule irregolarmente disposte e densi ammassi di goccioline lipidiche. 

IO 



animali da esperimento mantenuti a die- 
te gravemente carenti. 

Si dimostra dunque opportuno verifi- 
care quanto incida La denutrizione sulle 
malattie epatiche dovute al consumo di 
alcool anche se si ammette che l'alcool 
non è un alimento. Resta il fatto che 
nella pratica medica si incontrano alcoo- 
lizzati con malattie epatiche malgrado 
T osservanza di una dieta apparentemen- 
te adeguata. Sul finire degli anni cin- 
quanta l'autore del presente lavoro ha 
incominciato a chiedersi se l'alcool fosse 
in grado di esercitare un'azione tossica 
diretta sul fegato. Una tale osservazione 
avrebbe avuto un rilevante interesse sia 
terapeutico sia teorico. Molti medici a 
quei tempi dicevano ai loro pazienti al- 
coolizzati che una dieta adeguata avreb- 
be potuto conservare una normale fun- 
zionalità epatica malgrado il consumo di 
bevande alcool iche. 

L'importanza del problema e la con- 
vinzione che anche un elevato consumo 
di alcool provocasse un rischio tollerabi- 
le, se effettuato per breve perìodo e sotto 
un rigoroso controllo, ha spinto l'autore 
a studiare direttamente l'effetto dell'eta- 
nolo in soggetti volontari- Questi sono 
stati mantenuti a una dieta ottimale con 
bassa percentuale di Lipidi; in tale dieta 
le proteine rappresentavano il T " per cen- 
to delle calorìe ossia due volte e mezzo la 
percentuale raccomandata. Ciò significa- 
va carne di manzo alla prima colazione, 
formaggio e pesce a mezzogiorno e carne 
o pollame alla sera, con una sommini- 
strazione supplementare di minerali e vi- 
tamine, 1 volontari bevevano anche sei 
volte al giorno» per un totale di 283 
grammi di alcool a circa 40 gradi. Que- 
sto regime alimentare ha indotto un pro- 
gressivo aumento del grasso epatico; la 
biopsia di controllo rivelava dopo alcuni 
giorni un significativo incremento del 
contenuto lipidico nel fegato e dopo 18 
giorni di tale esperimento l'incremento 
medio era di otto volte. Si osservava la 
caratteristica degenerazione grassa del 
fegato o steatosi, il primo stadio (tipica- 
mente reversibile) della malattia epatica. 
Apparivano anche marcate alterazioni 
nella struttura delle cellule epatiche: i 
mitocondri, gli organelli deputati a tra- 
sformare l'energia, risultavano allargati 
e deformati mentre si registrava una pro- 
liferazione delle membrane dei reticolo 
endoplasmico, il silo degli enzimi asso- 
ciati al metabolismo dell'alcool e delle 
altre sostanze. Queste modificazioni del 
fegato erano provocate da un'ingestione 
piuttosto moderala di etanolo, tale da 
non indurre segni clinici di intossicazio- 
ne; i valori ematici oscillavano da 80 a 
90 milligrammi di alcool per 100 millilitri 
di sangue, al di sotto cioè dei valori (100 
o 150 milligrammi) che rappresentano la 
prova di un'eccessiva libagione in molti 
paesi. 

Per verificare questi effetti e studiare 
in maniera particolareggiata il loro mec- 
canismo si doveva riprodurli negli ani- 
mali sperimentali. Di solito il ratio di 
laboratorio costituisce il soggetto di tali 
esperimenti. L'etanolo viene solitamente 
somministrato a questi animali mediante 





ACETALDEIDE 




ACIDO ACETICO 






ETANOLO 


H 

1 




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H H 
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H OH 






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H H 




H H * 











IMI ferenti stadi dell'ossidazione dell'alcool ci il ini (clanoloj. Nelle 
cellule epatiche due atomi di Idrogeno vengono staccali da ciascuna 
molecola di etanolo per formare acetaldeide. Questa è dì norma 



ossidata principalmente nel fegato per siniHiz/are acido acetico (soliti 
forma dì acetati), poi alla fine trasformato in anidride carbonica e 
aequa. Neil 'illustrazione sono tralasciati i vari enzimi e ì cof attori. 



SANGUE - 



^ 



CELLULA EPATICA 



GRASSO 



4- 



CATENA DI 

TRASPORTO 

DEGLI ELETTRONI 



; CICLO % ' l 
t DELL'AGI DO» H , 
J> CITRICO // H 




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ACIDI GRASSI 



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ACETATO CHETONI 



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GLUCOSIO 




PIRUVATO ^ LATTATO 



LIPO- 



METABOLITÌ 
DEL 



ACETALDEIDE PROTEINE FAR ^ CQ 



s: 



C~CX 



SANGUE ■ 



Rappresentazione schematica det metabolismo dell'etanolo nelle cel- 
lule epatiche mediante il sistema del l'alcoo Idei drogenasr lADII) e 
quello di ossidazione dell'etanolo microsomale 4M KOS), con le due 
vie dell'etanolo e i movimenti dei loro prodotti indicati in colore. Le 
vie che operano in assenza dell'etanolo sono indicate in nero e quelle 
la cui attività è diminuita dall'etanolo sono evidenziate dalle linee 
tratteggiate. Nella via primaria dell'etanolo ralcooldeidrogenasi cata- 
lizza lo spostamento degli atomi di idrogeno ili) mediante riduzione 



di un co fattore» la nicolinammideadenindinueleotide (NAD). L'idro- 
geno in eccesso è smistato in vari processi. Per esempio, rifornisce il 
sistema energetico di trasporto degli elettroni sostituendo i grassi. L'i- 
drogeni» contribuisce anche alla sìntesi dell'eccesso di irigliceridL Una 
via metabolica secondaria entra in azione ad alti livelli alcootici 
utilizzando il sistema microsomale che metabolizza anche alcuni far- 
maci e altri composti estranei all'organismo. In questo caso il co-fat- 
tore è nicol inummidcu<lciiindiiHicleo!idefosfato ridotto <SADPH). 



ti 



l'acqua che essi bevono, tuttavia, e in 
queste condizioni , gli ani mah" in genere 
rifiutano di bere una quantità di alcool 
sufficiente a provocare una lesione epati- 
ca. Leonore M. De Carli e l'autore han- 
no superato l'avversione dei ratti per 
T alcool sviluppando una nuova tecnica: 
l'etanolo veniva introdotto in una dieta 
nutritivamente adeguata, ma totalmente 
liquida in modo che gli animali, per 
mangiare o bere, dovevano forzatamente 
assumere anche l'alcool. Con questo me- 
todo è stato possibile indurre la compar- 
sa di una degenerazione grassa del fegato 
malgrado la presenza di una dieta ade- 
guata e totalmente controllata. Le lesioni 
nel fegato erano perfettamente compara- 
bili a quelle rileva bili nell'uomo sia a un 
esame macroscopico, sia al controllo i- 
stologico effettuato mediante microsco- 
pio ottico (si vedano le illustrazioni in ai- 
io a pagina P). Anche le alterazioni ultra- 



strutturali, osservate con il microscopio 
elettronico, apparivano similari, inclu- 
dendo dilatazione e distruzione dei mito- 
condri e proliferazione del reticolo eri- 
doplasmico, (si vedano le illustrazioni in 
basso a pagina 9). 

Per quanto i ratti trattati con l'alcool 
sviluppassero una degenerazione grassa 
del fegato, non manifestarono gli stadi 
più gravi di lesione epatica ri levabili nei 
soggetti umani, H primo di questi stadi è 
costituito dall'epatite alcoolica in cui la 
ridotta funzionalità cellulare del fegato 
porta a necrosi cellulare, processi in- 
fiammatori e morte con una frequenza 
dei 10-30 per cento. Lo stadio finale è 
rappresentato dalla cirrosi, nella quale le 
cicatrizzazioni fibrose distruggono la 
normale architettura del fegato e danno 
inizio ad alcune complicazioni potenzial- 
mente mortali. Si potrebbero ipotizzare 
due motivi che preservano i ratti dalFe- 



FEGATO 



CICLO 

DELL'ACIDO 

CITRICO 






r 

ACETIL- < 
COENZIMA A 



-!=* COLESTEROLO 



A 



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FOSFOLIPIDI 



AMMINO- 
ACIDI 




■^ ACIDI __ 
^GRASSI >l 



^ TRIGUCERID* 



_^ LtPO- 

PROTEINE 



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CHETONI 



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INTESTINO 



PARTICELLE LIPIDICHE 



DIGERITE 



MUSCOLO 



J 



PARTICELLE 

LIPIDICHE 

DIGERITE 



ACIDI 

GRASSI 

UBERI 



TESSUTO ADIPOSO 



il Brusii opinilo deriva du ire fonti: dalla dieta, attraverso l'intestino; sento forma ili acidi grassi 
liberi mobilizzati dai deposili del tessuto adiposo e mediante una sìntesi che si verifica all'interno 
del fe^aio stesso, [/insorgenza dì una degenerazione grassa del fegato può essere legata sia a 
un'eccessiva disponibilità di grassi* sia a un' a Itera /ione nella loro normale elimina/ione. 



patite e dàlia cirrosi: anche con la dieta 
liquida utilizzata, la loro ingestione di 
alcool non superava il 36 per cento delle 
calorie totali, il che corrisponde a un 
consumo moderato per l'uomo. Inoltre, 
per l'uomo occorre un periodo di 5-25 
anni dì costante consumo di bevande 
alcooliche per sviluppare una cirrosi e il 
ratto vive, di regola, circa due anni. 

L'autore ha quindi utilizzato i babbui- 
ni, che vivono a lungo e sono stretta- 
mente correlati all'uomo, tanto da essere 
capaci di tollerare diete liquide contenen- 
ti alcool pari al 50 per cento delle calorie 
totali, corrispondente circa a quanto as- 
sume un essere umano alcool izza to. In 
seguito a questo trattamento ì babbuini 
apparivano visibilmente intossicati e 
quando la somministrazione di alcool 
veniva temporaneamente sospesa, mani- 
festavano segni di dipendenza fìsica, co- 
me tremori e manifestazioni access u ali. 
Presso il laboratorio di medicina speri- 
mentale dei primati, l'autore ha mante- 
nuto 16 babbuini a una dieta ricca in eta- 
nolo e 16 altri a una dieta priva di alcool 
ma con lo stesso contenuto calorico* 
Mentre negli animali di quest'ultimo 
gruppo il fegato si è conservato normale, 
negli altri animali si è presto registrato 
un eccessivo accumulo di grasso epatico; 
cinque di loro hanno inoltre accusato 
una tipica epatite alcoolica e in sei è 
comparsa una cirrosi dopo un periodo di 
due-quattro anni. Gli esperimenti con- 
dotti sui ratti e sui babbuini hanno cosi 
dimostrato in maniera evidente che una 
prolungata ed elevata ingestione di alcool 
può indurre gravi lesioni epatiche anche 
se la dieta viene mantenuta a un livello 
normale. Si è in questo modo anche po- 
tuto ottenere per la prima volta un mo- 
dello animale sperimentale in grado di 
riprodurre tutte le lesioni epatiche rileva- 
bili negli esseri umani. Questi modelli 
hanno anche consentito di trovare spie- 
gazioni biochimiche per gli stadi precoci 
della malattia alcoolica epatica (degene- 
razione grassa del fegato e turbe meta- 
boliche associate) e per alcune delle le- 
sioni croniche che sembrano portare agli 
stadi più gravi: epatite e cirrosi» 

t a prima fase della via metabolica pri- 
-Lf maria dell'alcool è catalizzata da un 
enzima, la deidrogenasi alcoolica (mal- 
grado il suo nome, la deidrogenasi al- 
coolica trasferisce atomi di idrogeno da 
vari composti, inclusi alcuni steroidi; era 
pertanto già presente nel fegato dell'uo- 
mo preistorico che per primo sperimentò 
l'alcool). L'alcooldeidrogenasi catalizza 
il trasporto degli atomi di idrogeno dal- 
l'etanolo al cofattore, nocotinammidea- 
denindinucleotide (NAD), che trasforma 
l'etanolo in acetaldeide. Quest'ultima è 
poi ossidata, principalmente nel fegato, 
per formare acetato che alla fine del pro- 
cesso è convertito in anidride carbonica e 
acqua. Alcuni effetti metabolici dell'al- 
cool sono direttamente connessi ai due 
primi prodotti di ossidazione: idrogeno e 
acetaldeìde. 

L'eccesso di idrogeno proveniente dal- 
l'alcool sbilancia l'attività chimica delle 
cellule epatiche. Per sopravvivere, la cel- 



lula deve liberarsi dell'idrogeno e lo fa 
smistando gli ioni idrogeno in uno o più 
vìe metaboliche dipendenti, talvolta con 
effetti deleteri. Una di tali vie metaboli- 
che è rappresentata dal processo per cui 
gli amminoacidi (derivati dalla dissocia- 
zione delle proteine nel fegato) sono tra- 
sformati in glucosio, con formazione di 
piruvato come preparato intermedio. In 
presenza di un eccesso di ioni idrogeno il 
processo segue una diversa direzione: il 
piruvato è ridotto a lattato invece di tra- 
sformarsi in glucosio. Lo zucchero ema- 
tico proviene da tre fonti: gluconeoge- 
nesi, o sintesi dagli amminoacidi nei fe- 
gato, dissociazione del glicogeno imma- 
gazzinato nei tessuti e trasformazione dei 
carboidrati contenuti nella dieta. Se l'in- 
dividuo alcolizzato beve e non mangia, 
non ingerisce carboidrati alimentari e 
consuma le proprie riserve di glicogeno; 
se la glucogenesi è poi bloccata dalla tra- 
sformazione del piruvato in lattaio, ri- 
sulterà abbassata la glicemia. Il basso 
contenuto di zucchero nel sangue, o i- 
poglicemia, rappresenta una nota com- 
plicazione delFalcoolismo acuto, ma è 
spesso trascurata. Quando un indi- 
viduo intossicato è ricoverato in un re- 
parto di pronto soccorso è importante 
accertare l'eventuale presenza di una 
ipoglicemia, giacché organi di importan- 
za vitale, compreso il cervello, possono 
essere colpiti in maniera critica da una 
carenza di zucchero; alcuni casi dì morte 
osservabili in al co oli zza ti possono essere 
dovuti a questa condizione. 

Il lattato che si forma a causa di un 
eccesso di idrogeno presenta conseguenze 
diverse: entra nel sangue inducendo una 
acidosi lattica e, a livello dei reni, inter- 
ferisce con l'escrezione di acido urico. 
Un elevato contenuto di acido urico nel 
sangue (iperuricemia) aggrava la gotta 
cosicché il processo qui descritto può 
spiegare le antiche osservazioni cliniche 
secondo le quali eccessive libagioni pote- 
vano scatenare o aggravare la malattia. 

Esistono altri modi attraverso i quali 
la cellula epatica sì libera da un eccesso 
di idrogeno. Alcuni di questi implicano 
la formazione di lìpidi, o grassi. L'idro- 
geno può essere portato direttamente 
nella sintesi deiralfaglìcerofosfato e de- 
gli acidi grassi. Questi sono ì due precur- 
sori dei trigliceridi e i trigliceridi sono, a 
|oro volta, i lipidi che si accumulano in 
caso di degenerazione grassa del fegato a 
eziologia alcoolica. Il principale mecca- 
nismo per eliminare l'idrogeno è più in- 
diretto, ma il risultato è simile. L'idroge- 
no è trasportato nei mitocondri, eli or- 
ganellì cellulari che producono l'energia 
necessaria per le funzioni epatiche. In 
condizioni normali è II grasso a essere 
ossidato - in effetti bruciato - nel ciclo 
deiracido citrico mitocondriale per pro- 
durre l'energia utilizzabile sotto forma di 
ioni fosfato altamente energetici. L'idro- 
geno abbondantemente fornito dall'al- 
cool, tuttavia, garantisce una sostanza 
alternativa che è ossidala al posto dell'i- 
drogeno proveniente dai grassi. Tale 
sostituzione esige però un prezzo; l'ac- 
cumulo di lipidi, che portano alla dege- 
nerazione grassa del fegato. Se l'alcool è 



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GRUPPI 01 CONTROLLO 



PRETRÀTTATI CON ALCOOL 



Nei ratti a cui viene somra in tirato alcool si manifesta una tendenza ull'iperli pernia, cioè a un 
clonili mnlenuii) di grassi nel sangue. Gli animali per un mese som» siati tenuti sia a una dieta di 
min n>ll<> sia a una dìiia con lenente uluiul cefi Jn stesso valore calorico. Poi* dopo un periodo di 
digiuna, agli animali è stato dato un «carico» costituito da una o dall'altra dieta. Il contenuto 
dei lipidi nei sangue era pressappoco lo stesso nei ratti a digiuno. In risposta al carico gli animali 
consumatori cronici di alcool {a destra} hanno manifestato una lipemia più elevata sia che 
il carico contenesse alcool ( barre in calore) sia che ne fosse sprovvisto (barre in grigio). 



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i 





4 6 8 10 12 14 16 16 20 

TEMPO (ORE DOPO LA SOMMÈNISTRAZìONE DEL FÀRMACO) 



22 



24 



L'alcool attiva r sistemi enzimatici del retìcolo endoplasmico liscio aumentando il metabolismo 
di talune sostanze. Gli andamenti illustrano la scomparsa dal sangue di un tranquillante, il 
meprobamaln, somministrato a volontari prima {in nera} e dopo (in colore) un mese di consumo 
di alcool. L'attivazione alcoolica taglia a metà (linee tratteggiate) la semivila del farmaco. 



12 



13 



^ 6000 
4000 



QO 














































ALCOOL 

| 










1 
DIETA BASE 

1 

























CIOCCOLATO 










DIETA BASE 

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TEMPO (GIORNI) 



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10 15 20 

TEMPO (GIORNI) 



25 



30 



Le calorìe alcooliche non sembrano del tutto equivalenti alle altre 
calorìe. Quando una dieta base dì 2200 calorie viene completata da 



2fH>0 calorie tornite da alcool (fl sinistra) o da cioccolato {a destra) l'in- 
ere mento de) pesti corporeo risulta molto meno marcato nel primo caso* 



ingerito insieme a una dieta contenente 
grassi, questi ultimi si accumulano nel 
fegato; ma anche quando l'alcool è con- 
fumato contemporaneamente a una dieta 
a basso contenuto lipidico si ha un depo- 
sito nel fegato del grasso che vi viene sin- 
tetizzato. Inoltre, quando l'alcool viene 
bevuto in grandi quantitativi, può scate- 
nare la messa in circolo dì ormoni che 
mobilizzano i grassi immagazzinati nel 
tessuto adiposo e li indirizzano verso il 
fegato {si veda I lustrazione a pagina 
12), 

Cosa ne fa il fegato del grasso accu- 
mulato? Esso può essere secreto nella 
massa sanguigna che fornisce le sostanze 
utìlt per i tessuti periferici, quali i mu- 
scoli, e deposita quelle in eccesso nel tes- 
suto adiposo. La secrezione è complicata 
dal fatto che i lipidi sono insolubili nel- 
l'acqua; essi devono esser resi solubili 
mediante la copertura con un sottile rive- 
stimento di proteine per formare le lipo- 
proteine* L'assemblaggio di queste lipo- 
proteine viene effettuato nel fegato, a li- 
vello delle membrane del reticolo endo- 
plasmico* È stata ricordata la prolifera- 
zione del reticolo endoplasmico che av- 
viene in seguito a un elevato consumo di 
alcool sia nei ratti sia negli esseri umani: 
tale fenomeno è stato osservato dall'au- 
tore insieme a Oscar A. Iseri, Bernard P* 
Lane ed Emanuel Rubin. Tale prolifera- 
zione si rispecchia, come hanno riscon- 
trato Jean-Gil Joly, Lawrence Feinman e 
l'autore, nell'esaltata attività dì certi en- 
zimi presenti nel retìcolo endoplasmico 
capaci dì aumentare l'idoneità del fegato 
a secernere 1 ipoproteine* Un fegato adat- 
tatosi all'alcool in seguito a un breve 
condizionamento provocato dal consumo 
di elevate quantità di alcool, reagirà con 
un'eccessiva secrezione di lipop rotei ne 
anche dopo un pasto normale, produ- 



cendo una ìperlipemia, ossia un livello 
anormalmente elevato di grassi nel san- 
gue* Enrique Baraona e l'autore hanno 
riscontrato questo effetto nei ratti mentre 
William H* Perlow, Stephen À, Borowsky 
e lo stesso autore lo hanno ora verificato 
nell'uomo. Questo effetto è di particola- 
re importanza per quei soggetti che pre- 
sentano anomalie sia del metabolismo 
dei lipidi sia di quello dei carboidrati e 
sono pertanto inclini a elevati contenuti 
di lipidi nel sangue. L'iperlipemia rap- 
presenta uno dei maggiori fattori di ri- 
schio per gli attacchi cardiaci. Quello che 
di solito viene trascurato è che in indivi- 
dui con una preesistente ìperlipemia l'al- 
cool probabilmente è Punico fattore ag- 
gravante suscettibile di correzione» 

Un'altra via metabolica a disposizione 
del fegato per diminuire l'eccesso di gras- 
si è quella di convertirne una parte nei 
prodotti di degradazione solubili ìn ac- 
qua, chiamati corpi chetonici, e immet- 
terli nella circolazione sanguigna. In 
qualche soggetto particolarmente sensi- 
bile, questa risposta può essere esagerata: 
si ha in tal caso un incremento dei corpi 
chetonici nel sangue che produce quella 
condizione nota come acidosi nei pazien- 
ti diabetici. 

La trasformazione dei grassi in tipo- 
proteine è soltanto una delle nume- 
rose funzioni del reticolo endoplasmico 
della cellula epatica, che inattiva anche 
una grande varietà di farmaci e altre so- 
stanze estranee, convertendole in prodot- 
ti idrosolubili che possono essere escreti 
(si veda l'articolo Come ti fegato meta- 
boi izza ie sostanze estranee ali 'organi- 
smo, di Attalah Kappas e Alvito P. Al- 
vares, in «Le Scienze», n* 85, ottobre 
1975), L'autore si è pertanto chiesto se la 
proliferazione del reticolo endoplasmico, 



dopo un consumo cronico di alcool, si sa- 
rebbe riflessa in un'aumentata capacità 
del fegato delPalcooIizzato a metaboliz- 
zare i vari farmaci. Dopo ripetute sommi- 
nistrazioni di alcool (che però non aveva- 
no ancora dato origine a serie lesioni al fe- 
gato), gli enzimi del reticolo endoplasmi- 
co che inattivano I tranquillanti, gli anti- 
coagulanti e altri farmaci in grado di 
disintossicare l'organismo da certi addi- 
tivi alimentari, sostanze cancerogene e 
insetticidi, aumentano la loro attività ac- 
crescendo la capacità degl'organismo di 
liberarsi da tali composti. Per esempio, 
Prem S* Misra e l'autore hanno sommi- 
nistrato un tranquillante, il meprobama- 
to, misurando la sua curva di decadi- 
mento nel sangue. Dopo un mese di in- 
gestione di alcool, il tempo necessario 
perche il livello ematico del farmaco di- 
minuisca a metà del suo valore si riduce 
da sedici a otto ore. 

Gli anestesiologi sanno da molti anni 
che per raggiungere l'effetto desiderato 
negli alcoolizzati sono richieste dosi di 
sedativi più elevate che negli altri sogget- 
ti. Questa «tolleranza» ai farmaci è stata 
attribuita a una forma di adattamento 
da parte del sistema nervoso centrale: il 
cervello degli alcoolizzati avrebbe cioè 
una aumentata resistenza ai sedativi. La 
ricerca degli autori ha messo invece in ri- 
lievo un adattamento metabolico che fa- 
ceva aumentare la capacità del fegato 
dell' alcoolizzato a inattivare ed eliminare 
sedativi e altri composti che il reticolo 
endoplasmico ha la funzione di disintos- 
sicare. A uno stadio non' troppo avanza- 
to della loro malattia, gli alcoolizzati ri- 
chiedono perciò maggiori dosi di molti 
farmaci. Questo è vero, tuttavia, soltan- 
to quando l'individuo è sobrio. Quando 
Paleoolizzato ha bevuto, l'effetto è pres- 
sappoco l'opposto. Il motivo, è che uno 



dei farmaci che il reticolo endoplasmico 
metabolizza, è l'alcool stesso, tramite 
una via accessoria che coadiuva il siste- 
ma alcool deidrogenasi di base. 

De Carli e l'autore hanno dimostrato 
l'esistenza di una vìa accessoria ultracen- 
trifugando tessuto epatico e isolando il 
reticolo endoplasmico, detto anche fra- 
zione microsomale. Si scoprì che un pre- 
paralo della frazione mìcrosomale era in 
grado di ossidare l'alcool etilico. Questa 
via accessoria fu denominata sistema mi- 
crosomale alcool etììieo-ossidante e Rolf 
Teschke, Kunihiko Ohnishi e l'autore so- 
no stati in grado di ottenerlo in una 
forma semìpuri ficaia. Si è anche potuto 
appurare che questa via microsomale per 
l'alcool entra in funzione dopo che il li* 
vello alcoolico ematico raggiunge un cer- 
to livello. L'alcool entra perciò in com- 
petizione con altri farmaci, al cui meta- 
bolismo partecipano vari elementi del si- 
stema microsomale, ritardandone pertan- 
to il metabolismo e aumentandone di 
conseguenza l'effetto* Questa è la causa 
per cui è particolarmente pericoloso bere 
e contemporaneamente prendere tran- 
quillanti: l'alcool può accentuare l'azio- 
ne del farmaco non solo perché l'effetto 
dei due farmaci sul cervello può som- 
marsi, ma anche perché la presenza di 
alcool può interferire con la capacità 
epatica di inattivare il farmaco, cosicché 
a un certo dosaggio la maggior pane del 
medicamento rimane attiva per un tem- 
po maggiore. 

Con il supporto dei sistemi enzimatici 
microsomali, il sistema alcool etiiico-os- 
sidante adatta se stesso all'eccessivo con- 
sumo di alcool, aumentando la propria 
attività e contribuendo così alla «tolle- 
ranza» per l'alcool. La capacità dell'al- 
cool? zzato di bere in misura maggiore ri- 
spetto alla maggioranza dei non alcooliz- 
zati è principalmente dovuta alla capaci- 
tà di resistenza del cervello e a una pro- 
gressiva diminuzione dell'effetto cerebra- 
le dell'alcool. L'alcoolizzato sviluppa 
inoltre un'aumentata capacità di meta- 
bolizzare alcool non solo attraverso il 
sistema microsomale, ma anche tramite 
l'alcooldeidrogenasi e, forse, anche at- 
traverso una terza via che dipende dal- 
l'enzima catalasi. Dopo eccessive o pro- 
lungate libagioni di bevande alcooliche 
questo adattamento, tuttavia, può essere 
controbilanciato da progressive lesioni 
epatiche di modo che la capacità globale 
del fegato di metabolizzare l'alcool ri- 
mane circa la stessa oppure addirittura 
diminuisce. 

Le modificazioni microsomali descritte 
dall'autore sono positive nel senso che 
aiutano il fegato a liberarsi dai grassi e 
accelerano la disintossicazione di molti 
farmaci, additivi alimentari e altri com- 
posti estranei. L'iperlipemia è una inde- 
siderata concomitanza del processo adat- 
tativi, ma ne esistono anche altre. Alcu- 
ne sostanze estranee all'organismo sono 
attivate, piuttosto che inattivate, dalle 
trasformazioni che esse subiscono nel re- 
ticolo endoplasmico* Alcune sostanze 
potenzialmente cancerogene diventano 
tali solo dopo attivazione da parte dei 
microsomi e altre sostanze divengono 



tossiche per il fegato stesso solo dopo 
tale attivazione. Per esempio, l'esposi- 
zione al te tracloruro di carbonio può 
causare danni epatici, ma il familiare 
composto per pulire a secco è innocuo 
per il fegato fino a che non sia attivalo 
dal reticolo endoplasmico della cellula 
epatica. Yasushi Hasumura e l'autore 
hanno osservato che l'incremento dell'at- 
tività microsomale indotta dall'alcool au- 
menta la tossicità del tetracloruro di car- 
bonio: ratti trattati per un periodo pro- 
lungato con l'alcool apparivano molto 
più sensibili agli effetti tossici del sud- 
detto composto degli animali di control- 
lo. Questo effetto spiega presumibilmente 
l'osservazione clinica secondo la quale 
gli alcoolizzati sono particolarmente sen- 
sibili all'avvelenamento da tetracloruro 
di carbonio negli impianti per la pulitura 
a secco che ancora usano questo compo- 
sto. L'ipersensibilità degli alcoolizzati 
molto probabilmente sì estende a un 
gran numero di sostanze estranee che 
sono del tutto innocue per la maggior 
parte della gente. 

Un altro effetto secondario consiste in 
uno spreco energetico* L'attività micro- 
somale richiede infatti energia; oltre tut- 
to è peculiare delle varie ossidazioni mi- 
crosomali produrre calore senza conser- 
vare energìa chimica. Questo fenomeno 
potrebbe essere la causa della diminuita 
crescita osservata negli animali nutriti 
con etanolo dal momento che la produ- 
zione del calore, oltre quello richiesto 
per mantenere la temperatura corporea, 
costituisce uno spreco di energia. Tale 
spreco può, almeno in parte, spiegare 
l'osservazione compiuta dall'autore uni- 



tamente a Romano C. Pirola, che l'ag- 
giunta di alcool etilico alla dieta produce 
un aumento del peso corporeo inferiore 
a quello ottenuto con uno stesso numero 
di calorie provenienti però da altre fonti 
(si veda l'iliustraztone nella pagina a 
fronte). 

A prescindere dalle complicazioni me- 
taboliche dì un eccesso di idrogeno e 
dalle variazioni dell'attività microsoma- 
le, la forte ingestione di alcool esplica 
effetti tossici diretti sul tessuto epatico. 
Sembra che una funzione particolare, per 
quanto si riferisce alla tossicità dell'al- 
cool, sia svolta dall'acetaldeide, un pro- 
dotto delle numerose vìe metaboliche del- 
l'alcool, estremamente attiva e capace di 
intaccare molti tessuti dell'organismo. 
Molta parte dell'acetaldeide è trasforma- 
ta in acido acetico dai mitocondri epati- 
ci, ma una parte finisce nel sangue, L'al- 
cooldeidrogenasi e le vie mìcrosomaJi al- 
cool etilieo-ossidami si saturano entram- 
be quando il fegato è investilo da una 
quantità rilevante di alcool* cosicché il 
livello di acetaldeìde nel sangue raggiun- 
ge un plateau e rimane a tale livello 
finché il valore dell'alcool diminuisce fi- 
no al punto in cui apparentemente inter- 
seca la via microsomale. Mark A* Kors- 
ten, Shohei Nfatsuzaki, Feinman e l'au- 
tore hanno potuto scoprire che il plateau 
dell *acet aidei de risulta significativamente 
più elevato negli alcoolizzati che nei non 
alcoolizzati, anche quando a entrambi i 
gruppi viene dato lo stesso quantitativo 
di alcool ed è stato raggiunto lo stesso 
livello di alcool nel sangue (si veda fa fi- 
gura qui in basso). Questo livello di ace- 



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TEMPO (ORE DOPO L'INFUSIONE ALCOOLICA) 

Il conlcmilii ematico in acelaldeide è più elevalo nei soggetti alcooti/zati che in tinelli normali* 
I Itisi umiliane dì etanolo puro smm siale iniettale nel sangue dì sorelli alcoolizzati l non al- 
colizzali sino a raggiungere uguali valori plasmatici. Il plateau dell'acetaldeide è risultato più 
elevali» negli alcoolizzati (in calure} che negli altri Un nero). Sembrerebbe che i primi metaboliz- 
zino l'aceialdeide meno efficacemente, forse a causa di lesioni epatiche indoiie dall'etanolo. 



14 



15 



I aldeide, abnormemente elevalo negli al- 
colizzati, può essere il risultato de! più 
veloce metabolismo deiralcool nel dare 
acetaldeìde (a causa dell'incremento a- 
dattativo dell'attività microsomale), op- 
pure può essere la conseguenza del dete- 
rioramento metabolico dell 'acet aldeide. 

Probabilmente sono implicati entram- 
bi i fattori» almeno all'inizio. Si è in pre- 
cedenza accennato alle singolari altera- 
zioni nei mitocondri rivelate dal micro- 
scopio elettronico anche negli stadi più 
precoci di forte consumo di alcool. Ha- 
sumura e l'autore hanno isolato i mito- 
condri danneggiati e hanno scoperto una 
riduzione della loro capacità di metabo- 
lizzare Tacet aldeide ad acido acetico. La 
acetaldeìde stessa può essere responsabi- 
le di parte del decremento della funzione 
mitocondriale; Arthur I. Cederbaum, 
Rubin e l'autore hanno dimostrato che 
essa ha un effetto tossico sugli organelli. 
L J alcool i zzato può essere quindi vittima 
di un circolo vizioso: un alto livello di 
acetaldeìde danneggia la funzionalità mi- 
tocondriale nel fegato, il metabolismo 
deiracetaldeide diminuisce, la maggior 
pane di essa si accumula e causa ulterio- 



ri danni al fegato, L "acetaldeìde danneg- 
gia non solo il fegato, ma anche altri 
tessuti . Per esempio, Marcus A. Roths- 
child e i suoi collaboratori del Manhat- 
tan Veterans Administration Hospital, 
hanno riferito che livelli di acetaldeìde 
non più elevali di quelli che erano stati 
misurati nel sangue degli alcoolizzati pos- 
sono inibire la sintesi proteica nel mu- 
scolo cardiaco. Tale effetto può in parte 
chiarire la diminuita funzionalità cardia- 
ca comune negli alcoolizzati. 

L 'acetaldeìde esplica marcati effetti sul 
cervello. Molti ricercatori hanno ipotiz- 
zato che tale sostanza, piuttosto che l'al- 
cool stesso, sia responsabile dello svilup- 
po della dipendenza che, assieme alla 
maggior tolleranza, caratterizza gli al- 
coolizzati, La dipendenza si manifesta 
sotto forma di uno stato di estremo scon- 
forto, spesso associato a disturbi fisiolo- 
gici come tremori e attacchi, quando vie* 
ne a mancare l'alcool. Molti meccanismi 
mediati dall'acetaldeide sono stati ipotiz- 
zati per spiegare la dipendenza, ma nes- 
suno è stato ancora confermato. Un'ipo- 
tesi si basa sul fatto che certe ammìne 
neuromed latrici, le quali trasmettono 



l'impulso nervoso da una cellula all'altra 
nel cervello, sono inattivate dalle MAO 
(mono amm incossi dasi) per formare un'al- 
deide che è poi trasformata in un acido. 
La trasformazione ad acido richiede un 
enzima che è alt ivo anche nel metabolismo 
dell'acetaldeide. Virginia E. Davis e Mi- 
chael J. Walsh, dell'Houston Veterans 
Administration Hospital, hanno ipotiz- 
zato che se Pacet aldeide è presente nel 
cervello essa può competere con l'enzi- 
ma: le aldeidi neuromediatrici non meta- 
bolizzate possono cosi accumularsi; in 
tal modo si possono allora combinare 
con il neuromediatore formando compo- 
sti molto simili a certi morfinoderivati, 
che inducono dipendenza. 

Un'altra possibilità, proposta da Ge- 
rald Cohen del Mount Sinai, è che ì'ace- 
taldeide si combini direttamente con le 
ammìne per formare i derivati della i so- 
di molina, potenti composti psicoattivi 
che possono svolgere una determinata 
funzione nell 'indurre dipendenza. La dì- 
pendenza dall'alcool è probabilmente de- 
terminata da diversi fattori che agiscono 
contemporaneamente. È possibile, tutta- 
via, che l'acetaldeide sia implicata nella 



ALCOOL 



GRASSO 



w 



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IDROGENO 



\ 
ACETALDEÌDE 



L'IDROGENO SOSTITUISCE I GRASSI 

COME COMBUSTIBILE 

E I GRASSI SI ACCUMULANO 



V 



STEATOSI 




EPATITE 



W 



NECROSI E 
INFIAMMAZIONE 



CIRROSI 



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DIMINUZIONE DELLA 
FUNZfONALlTA r 



EPATICA 



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CHETOSI 




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tn 




IPÈR. 
UREMIA 



IPQ- 
P ROTE IN EMI A 



OSTRUZIONE 
DEL FLUSSO 
SANGUIGNO 




EFFETTI TOSSFCI 

SULLE CELLULE 

EPATICHE 



i 



RIDUZIONE 

DELL'ATTIVAZIONE 

DELLE VITAMINE 



LATTATO -Il> GLUCOSIO 



IPERTENSIONE 
PORTALE 



zi- 

g8 



ACETALDEÌDE 
ELEVATA 



COMA EPATICO 



ASCITE 

(LIQUIDI NELLA 

CAVITA' ADDOMINALE) 



ROTTURA DI VARICI 
(EMORRAGIE A CARICO 
DELLE VENE DILATATE) 




DISFUNZIONE 
RENALE 



Complica/ioni da eccessivo consumo ili alcool derivano prevaler te- 
merne da un eccesso di idrogeno e dal l'atre tal dei de» L'idrogeno pro- 
duco degenerazione grassa del fegato (sieaiosi), i perii pernia, ipogltcc* 
mia ed elevato contenuto ematico in acido bulico. L'accumulo di 
grassi. l'effetto del faceta Idei de sulle cellule epatiche e altri f allori 
ancora scuntisciutr provotano l'insorgenza dell'epatite alcoulica. La 
fase successiva è rappresene! a dulia cirrosi. La conseguente altera- 



zione della funzione epatica turba la biochimica del sangue, tndueendo 
iperazotemia che può portare ai coma e alla morie. Anche la cirrosi 
modifica la struttura del regalo, ostacolando il flusso del sangue. 
L'alta pressione esistente nei vasi epatici può indurre la rottura 
di formazioni varicose e l'accumulo di liquido nella cavità addominale 
(ascile). Esistono differenze individuali nella reazione all'alcool: in 
particolare, non tulli i forti bevitori sviluppano epatite e cirrosi. 



predisposizione ali 1 alcool! smo: una per- t 
sona predisposta può avere deficienze 
nel metabolismo dell* acet aldeide che in- 
tervengono nel mantenere un più elevato 
livello emalico dell' acetaldeìde con le con- 
seguenze che da esso derivano. 

Se continua il forte consumo di alcool, 
la degenerazione grassa del fegato anco- 
ra reversibile evolve, nella maggioranza 
dei casi, verso più gravi e irreversibili 
malattie epatiche: epatiti e poi cirrosi. 
Non è stato ancora chiarito il motivo e il 
modo con cui il fegato perde la sua ca- 
pacità di adattarsi al carico di alcool. 
Anche allo stadio della degenerazione 
grassa esistono alcune indicazioni che si 
stanno sviluppando lesioni più gravi. Es- 
se possono consistere in un rigonfiamen- 
to delle cellule epatiche comunemente 
attribuito air accumulo di sostanze lipi- 
diche. Baraona, Maria-Anna Leo, Bo- 
rowsky e l'autore hanno notaio che la 
capacità del fegato di liberare proteine, 
di cui questo organo è il maggiore pro- 
duttore anche quando sono accumulate 
nelle cellule» è in qualche modo depressa 
da rilevanti quantitativi di alcool. L'in- 
tasamento delle cellule epatiche con lipi- 
di e proteine interferisce con il loro nor- 
male funzionamento. Così sì verifica la 
ridotta produzione di energia a cui sì era 
in precedenza accennato. Per tutti questi 
motivi alcune cellule del fegato possono 
morire e la necrosi può innescare un pro- 
cesso infiammatorio, caratteristico di 
quello stadio chiamato epatite cronica. 

L'acuta riduzione della funzionalità 
della cellula epatica, rilevabile a questo 
stadio, finisce con il provocare la morte 
in alcuni pazienti. 

La necrosi cellulare e l'infiammazione 
promuovono a loro volta lo stadio suc- 
cessivo: la fibrosi» o sviluppo di tessuto 
cicatriziale, l'anticamera della cirrosi. Le 
barriere di tessuto connettivo fibroso fra 
i gruppi di cellule epatiche interferisco- 
no con l'irrorazione sanguigna compro- 
mettendo ulteriormente la funzionalità 
epatica. Parzialmente bloccato nel fega- 
to, il sangue si ingorga aumentando la 
pressione del sistema portale, che tra- 
sporta il sangue dall'intestino al fegato. 
Circoli collaterali anomali possono quin- 
di svilupparsi nel sistema venoso, cosic- 
ché parte del sangue può «bypassare» il 
blocco circolatorio provocato dal fegato 
cirrotico. Nell'esofago possono compari- 
re formazioni venose di tipo varicoso, 
suscettibili di rottura ed emorragia: le 
varici sanguinanti sono una delle mag- 
giori cause di morte nella cirrosi. Inoltre, 
in conseguenza dell'alta pressione, il pla- 
sma filtra attraverso i vasi sanguigni del 
sistema portale. Si forma cosi linfa che 
fuoriesce dai vasi linfatici. Entrambi 
questi fattori contribuiscono alla forma- 
zione delle asciti, ossìa all'accumularsi di 
liquido nella cavità addominale* Una 
complicazione finale è dovuta all'incapa- 
cità del sangue di liberarsi dall'ammonia- 
ca presente nel sangue e da altri composti 
azotati, prodotti dai batteri intestinali. 
Appena questi composti hanno raggiun- 
to un certo valore, agiscono sul cervello 
e possono provocare turbe funzionali, 
coma epatico e morte. 



MEDICINA 



Fin dai suoi primi numeri, LE SCIENZE edizione italiana di 
SCIENTIFTC AMERICAN ha dedicato numerosi artìcoli a pro- 
blemi medici di particolare importanza tra cui: 



IL COLERA 

di N. Hirschhorn e W. Greenough III 
<n. 39) 

Questa malattia può essere facilmente 
curata con la sostituzione dei liquidi or- 
ganici perduti. La conoscenza del mec- 
canismo d'azione della tossina consenti- 
rebbe però un trattamento più semplice. 



INSUFFICIENZA 
RESPIRATORIA ACUTA 

di P. Wìnter e E. Lowenstein (n. 19} 

Questa « causa mortis » deve essere con- 
siderata una entità clinica a se stante. 
Nei centri di terapia respiratoria inten- 
siva viene fronteggiata da équipe di 
medici e tecnici altamente specializzati. 



TERAPIA INTENSIVA 
DELL'INFARTO 

di 3. Lown {n. 5) 

Negli ospedali provvisti di * unità co- 
ronariche » la mortalità per infarto può 
scendere di un terzo. Una larga diffu- 
sione di queste nuove terapie potrebbe 
salvare un gran numero di vite umane. 



IL PROBLEMA DELLA SCLEROSI 
MULTIPLA 

di G. Dean (n. 26) 

La causa di questa malattia del sistema 
nervoso centrale è sconosciuta. Le note- 
voli variazioni di frequenza fanno però 
supporre che essa dipenda dall'infezio- 
ne da parte di un virus a lungo perio- 
do dì latenza. 



FATTORI PSICOLOGICI 

NELLO STRESS E NELLE MALATTIE 

di J.M Weiss (n. 49) 

Una nuova tecnica permette di separare 
nelle situazioni di stress i fattori psico- 
logici da quelli fisici. In studi condotti 
sui topi i fattori psicologici si sono ri- 
velati la causa principale dell'ulcera ga- 
strica e di altri disturbi 



AVVELENAMENTO 
DA PIOMBO 

di J. Chisolm jr. (n. 33) 

Delle sostanze naturali con te quali l'uo- 
mo viene a contatto, il piombo è sicu- 
ramente una delle più diffuse. Ce ne 
occupiamo in questa sede per l'effetto 
che esso ha sui bambini che vivono in 
vecchie abitazioni. 



DIAGNOSI PRENATALE 
DELLE MALATTIE GENETICHE 

dì T. Friedmann (n. 42) 

Nuove tecniche rendono possibile indi- 
viduare malattie ereditarie nelle fasi pre- 
coci della gravidanza.- In quale misura 
il controllo di tali nascite è giustificato 
sul piano biologico e morale? 



IL MITO DEL BUON DOTTORE 

di L. Rosala (n. SI) 

Per superare la crisi del rapporto medi- 
co-paziente i medici devono rimettere in 
questione la propria immagine, ideologi- 
ca e intellettuale; va inoltre restituito al 
medico dì famiglia il ruolo di cardine 
del sistema sanitario. 



LA CATARATTA 

di R. van Heyningen ( n. 92 ) 

La forma senile è la più diffusa ed è do- 
vuta a stress che si sommano al normale 
processo di invecchiamento dell'occhio. 
Una prevenzione sarà possibile conoscen- 
do meglio la struttura e il metabolismo 
del cristallino. 



VIRUS ERPETICI E CANCRO 

di KA. Rafferty jr, (n. 65) 

È noto da tempo ebe questi virus ubi- 
quitari possono provocare il cancro ne- 
gli animali da esperimento; ora è stato 
dimostrato che virus di questo tipo so- 
no implicati anche in alcuni tipi di can- 
cro dell'uomo. 



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Composti 
aromatici policiclici in natura 





Questi idrocarburi ad anelli multipli sono stati trovati nel suolo 
e nei sedimenti in tutto il mondo. Essi sono insolitamente stabili e 
le toro origini hanno rappresentato un enigma complicato 



•v* 



I composti aromatici policiclici sono 
Largamente diffusi in natura; tra essi 
vi sono pigmenti vegetali e animali 
di considerevole bellezza e di insolita sta- 
bilità chimica. A questa classe di compo- 
sti appartiene l'alizarina, il colorante ros- 
so delle uniformi militari dell'epoca na- 
poleonica, che mostra tuttora il suo ori- 
ginale splendore nelle collezioni dei mu- 
sei, dove altri pigmenti vegetali sono sbia- 
diti da tempo. Animali marini, in parti- 
colare ech inoidi (ricci di mare) e cr inoidi 
(gigli di mare), devono a tali pigmenti il 
loro vivace colore. I composti aromatici 
policiclici sono anche conosciuti per i 
loro effetti biologici; alcuni di essi pos- 
sono causare il cancro o comportare mu- 
tazioni anche a concentrazioni molto 
basse. 

Allora, che cosa sono i composti aro- 
matici policiclici? Costituiscono una del- 
le principali classi di sostanze in cui la 
struttura molecolare centrale è tenuta u- 
nita da legami stabili carbonio-carbonio. 
La grande varietà di composti del carbo- 
nio - e della vita stessa, che si basa su tali 
composti - riflette le possibilità quasi illi- 
mitate che hanno gli atomi di carbonio 
di disporsì nello spazio in gruppi, grap- 
poli, catene e anelli. Lunghe catene di 
atomi di carbonio sono comuni nei pro- 
dotti naturali; esse sono state riconosciu- 
te già da quando La chimica organica di- 
venne una disciplina a sé. Anche le cate- 
ne ramificate di atomi dì carbonio sono 
allo stesso modo comuni e hanno una 
storia scientifica. Il riconoscimento, av- 
venuto nel 1865, che atomi di carbonio si 
possono unire per formare anelli chiusi 
rappresentò uno dei maggiori progressi 
della chimica. La scoperta fu compiuta 
da Friedrich Kekulé, che risolse l'enigma 
della struttura della molecola del benze- 
ne dopo aver fatto un sogno in cui ser- 
penti danzanti si mordevano la coda. 

Dall'intuizione di Kekulé al riconosci- 



di Max Blumer 



mento che la molecola della naftalina è 
costituita da due anelli condensati e che 
le molecole delPantracene e del fenantre- 
ne sono costituite da tre anelli, il passo 
fu breve. Tali composti ad anelli multi- 
pli, o policiclici, sono detti saturi se tutti 
i legami degli atomi di carbonio, eccet- 
tuati naturalmente quelli necessari a co- 
stituire il legame carbonio-carbonio, so- 
no uniti ad atomi di idrogeno. Sono detti 
aromatici se alcuni atomi dì carbonio 
sono legati con doppi tegami ad altri 
atomi di carbonio. Ai tempi di Kekulé si 
pensava che gli anelli dei composti aro- 
matici avessero legami semplici alternati 
a legami doppi . Questa concezione tradi- 
zionale, ma errata, sopravvive nella rap- 
presentazione grafica abituale dell'anello 
esagonale del benzene. Secondo le teorie 
attuali, i legami che uniscono gli atomi 
di carbonio nella molecola benzenica e in 
quelle dei composti policiclici hanno tut- 
ti lo stesso ruolo e uguale valore. La 
teoria del legame chimico aiuta a spiega- 
re La stabilità eccezionale dei sistemi ad 
anello con sei atomi dì carbonio. 

fili idrocarburi aromatici policiclici 
consistono di tre o più anelli benze- 
nici condensati, disposti linearmente, ad 
angolo o a grappolo. Per definizione, 
contengono solo atomi di carbonio e di 
idrogeno. Tuttavia, gli atomi di carbonio 
dell'anello possono essere facilmente so- 
stituiti da atomi di azoto, zolfo e ossige- 
no. Ne risultano composti «eteroaroma- 
tici» che sono comunemente raggruppati 
con gli idrocarburi con i quali presenta- 
no analogie di proprietà e di comporta- 
mento. 

L'identificazione degli idrocarburi aro- 
matici policiclici e lo studio del toro cor- 
so naturale sono condotti dai geochimi- 
ci, dai chimici che si occupano dell 1 am- 
biente e dai tossicologi. Poiché la quan- 
tità di tali idrocarburi è, nella maggior 




Si è trovato che il giglio di mare fossilizzato del genere Miltericrimts contiene una serie di pig- 
menti. La fotografia della pagina a fronte mostra la sezione dì un peduncolo dell * animale fossi- 
le, che visse circa 15(1 milioni di anni fa sul fondo fangoso del Mar Giurassico, a sud-ovest del 
quale ora sorge la citta di Basilea, Il centro del peduncolo contiene pigmenti cristallizzati chiamati 
rringeliti Questo nome deriva da Frìngeli, la montagna sulla quale furono trovati i fossili. 



parte dei campioni, piccola, sono neces- 
sarie in genere una concentrazione e una 
separazione preliminari. Nel mio labora- 
torio alla Woods Hole Oceanographic 
Insti union, usiamo un procedimento a 
tre fasi che consiste nella nitrazione del 
gel, nella cromatografia in colonna e 
nella precipitazione. Questi metodi inte- 
ragiscono in modi diversi con la miscela 
di idrocarburi e, combinati, permettono 
di isolare rapidamente i componenti del- 
la miscela. Nella prima fase gli idrocar- 
buri policiclici vengono separati dalle 
molecole più grosse. Nella seconda, ven- 
gono separati dalle sostanze che sono 
trattenute più o meno fortemente nella 
colonna cromatografica di allumina. Nel- 
la terza fase si forma un precipitato soli- 
do con un reagente che si combina in 
modo specifico con i composti aromati* 
ci. Le sostanze estranee vengono escluse 
dal precipitato e possono essere allonta- 
nate mediante lavaggio con un solvente. 
Questa separazione in tre fasi si effettua 
con campioni del peso dell'ordine di mi- 
crogrammi. Per miscele più complesse 
un'altra colonna cromatografica serve a 
scindere il concentrato di idrocarburi a- 
romatiei in frazioni di molecole aventi 
uno stesso numero di anelli. 

Le frazioni di composti aromatici po- 
liciclici ottenute con questa separazione 
possono essere analizzate con varie tec- 
niche; come regola, nessun metodo può 
da solo fornire un'analisi completa. Noi 
abbiamo trovato che si ottiene il maggior 
numero di informazioni combinando 
queste tre tecniche: misura dell'assorbi- 
mento nell'ultravioletto, separazione per 
distillazione sotto vuoto spinto e spettro- 
metria di massa. Lo spettro ultravioletto 
dei campioni di idrocarburi ci dà molte 
notizie circa la disposizione spaziale degli 
anelli benzenici in essi contenuti, ma ci 
fornisce pochi ragguagli sulla presenza e 
sulla natura dei sostituenti, ossia degli 
atomi estranei agli anelli stessi. La distil- 
lazione scinde successivamente le miscele 
complesse, semplifica la spettrometria di 
massa e fornisce informazioni strutturali 
basate sulle relazioni tra struttura e vola- 
tilità. Gli spettri di massa completano gli 
altri dati; essi misurano la dimensione 



19 



® 



totale delle molecole, rivelano la presen- 
za dì sostituenti e spesso ne indicano la 
natura. 

Fino a poco tempo fa era sconosciuta 
la composizione particolareggiata di mol- 
te miscele di idrocarburi aromatici poli- 
ciclici trovati in natura e le origini dei 
composti erano misteriose. L'analisi chi- 
mica può portarci a scoprire i processi di 
formazione, trasformazione e trasporto 
dei composti organici in natura? Per ri- 
spondere a questa domanda tratterò dap- 
prima alcuni principi che governano la 
formazione degli idrocarburi aromatici 
policiclicì, dopo dì che prenderò in con- 
siderazione alcuni casi che rivelano delle 
correlazioni tra struttura e orìgini. 

Le strutture molecolari dei composti 
aromatici policictici si formano ogni- 
qualvolta le sostanze organiche sono e- 
sposte ad alte temperature. In questo 
processo, chiamato pirolisi, viene libera- 
ta energia e i prodotti aromatici che si 
formano sono più stabili dei loro precur- 
sori. Per esempio, si ha la pirolisi nel 
momento in cui un fiammifero viene car- 
bonizzato dalla fiamma. Il carbone che 
si è formato ha la struttura della grafite: 
gigantesche molecole piane che consisto- 
no di anelli benzenici strettamente uniti 
fra loro. Tuttavia, per la aromatizzazio- 
ne e la grafitizzazìone della sostanza or- 
ganica non sono richieste alte tempera- 



ture e fiamme vive; anche ti calore di un 
ferro da stiro è sufficiente a provocare 
un'incipiente grafitizzazìone e la bruciac- 
chiatura di un tessuto. Dato un tempo 
su f f i cien te , Y arom at i zzazi one prò cede 
anche a temperature inferiori. Gli idro- 
carburi aromatici del petrolio grezzo si 
sono formati nel corso di milioni di anni 
in sedimenti che sono stati a temperature 
comprese tra 100 e 150 gradi centigradi. 
La composizione dei prodotti della a- 
romati zzazi one termica dipende dalla na- 
tura del materiale di partenza e dalle 
temperature dì formazione. Bruciando 
un ceppo di legno in un camino o un tes- 
suto con un ferro da stiro si ottengono 
prodotti che sono completamente diversi 
dal petrolio grezzo, ma che come questo 
contengono idrocarburi aromatici polici- 
clici. Una caratteristica in particolare di- 
pende dalla temperatura dì formazione 
delle miscele di idrocarburi: l'abbondan- 
za e la distribuzione relativa di idrocar- 
buri aromatici che presentano catene la- 
terali di varie lunghezze» note come grup- 
pi alchilicì. À temperature molte elevate, 
come nella cokizzazione del carbone, i 
prodotti consistono di una miscela rela- 
tivamente semplice di idrocarburi non 
sostituiti, forse a causa della rapida scis- 
sione dei legami alchilicì che sono meno 
stabili. À temperature intermedie, come 
nella combustione lenta del legno, so- 
pravvivono miscele complesse di compo- 



sti ad anello aJchilati. Però anche queste 
condizioni non sono favorevoli alle lun- 
ghe catene alchiliche. Gli idrocarburi non 
sostituiti superano quantitativamente gli 
idrocarburi sostituiti e la percentuale de- 
gli idrocarburi aleni lati diminuisce rapi- 
damente con l'aumentare della lunghezza 
e del numero delle catene alchiliche. 

Quando la temperatura di formazione 
è più bassa si osserva uno schema com- 
pletamente diverso. Questo è efficace- 
mente illustrato dall'analisi del petrolio 
grezzo; gli idrocarburi aromatici polici- 
clicì alehilati superano di gran lunga gli 
idrocarburi non sostituiti e il grado me- 
dio di alchilazione, come pure il numero 
massimo degli atomi di carbonio negli 
anelli aromatici sono molto più elevati di 
quelli presenti in campioni prodotti per 
pirolisi ad alta temperatura. Questo fat- 
to riflette le condizioni della formazione 
del petrolio; il tempo è sufficiente per 
condurre a termine Taromatizzazione fa- 
vorita energeticamente, ma la tempera- 
tura non è abbastanza elevata da scinde- 
re anche i più deboli legami carbonìo- 
-carbonio delle catene alchiliche. 

Gli idrocarburi aromatici policiclicì si 
sono formati anche per azione di 
organismi viventi? Se così fosse, possia- 
mo distinguere questi da quelli originati 
da processi pirolitici? Molti pigmenti sta- 
bilì, sia vegetali, sia animali, le cui strut- 



ture si fondano su anelli aromatici si 
sono in realtà formati da organismi vi- 
venti. Per definizione, però» tali pigmen- 
ti non sono idrocarburi, perché incorpo- 
rano altri elementi come ossigeno e azo- 
to. Persiste una accesa discussione circa 
Pipotesi che gli idrocarburi aromatici po- 
liciclicì siano anche sintetizzati dagli or- 
ganismi viventi, direttamente o per tra- 
sformazione di precursori che possono 
somigliare alle strutture esistenti. È par- 
ticolarmente difficile risolvere sperimen- 
talmente la controversia a causa della 
ubiquità degli idrocarburi aromatici in 
natura e della facilità con cui si diffon- 
dono e contaminano gli esperimenti. 

Al fine di escludere tale contaminazio- 
ne, Gernot Grimmer del Biochemical In- 
sultile for Envìronmental Carcinogens di 
Amburgo ha fatto crescere piante in con- 
dizioni accuratamente controllate in ser- 
re difese da contaminazione esterna. No- 
nostante l'estesa filtrazione dell'aria, gli 
idrocarburi aromatici più volatili entra- 
rono nella serra dall'esterno. Tuttavia t 
sistemi aromatici ad anello, meno volati- 
li, contenenti quattro o più anelli benze- 
nici non sono stati trovali nelle piante» 
che sembrano impedire La loro biosintesi. 

Ci può essere un modo indiretto per 
risolvere la controversia, o per lo meno 
possono essere proposti campioni da a- 
nalizzare come miscele biosintetiche di 
idrocarburi aromatici policiclicì. La bio- 



sìntesi differisce dalla sintesi pi ro litica e 
geochimica per la sua elevata selettività. 
La cellula vivente sintetizza solo un nu- 
mero molto limitato di composti fra tutti 
quelli teoricamente possibili, e precisa- 
mente quelli le cui particolari proprietà 
sono richieste dall'organismo. Quando 
numerosi composti appartenenti a una 
stessa famìglia chimica (per esempio 
molti idrocarburi a catena lineare) sono 
formati dalla cellula, spesso sono pro- 
dotti in concentrazioni notevolmente di- 
verse. Nella pirolisi e nella geochimica 
intervengono poche regole di selezione; 
le miscele risultanti sono straordinaria- 
mente complesse e membri adiacenti di 
famiglie di idrocarburi si trovano in con- 
centrazioni analoghe. Si osserva il carat- 
teristico schema di selezione della biosin- 
tesi non solo fra gli idrocarburi a catena 
lineare e ramificata negli organismi, ma 
anche fra gli acidi grassi, gli amminoacidi 
e i carboidrati, ossia fra la maggior parte, 
se non tutti, dei costituenti della cellula. 
Questo sembra essere un tale principio 
fondamentale della biochimica, che ci si 
aspetta di osservarlo anche in ogni misce- 
la di idrocarburi aromatici poi iridici che 
possa essere prodotta dagli organismi. 

In campioni di terreno si trovano com- 
posti con un'intensa fluorescenza nel- 
la radiazione ultravioletta. Una trentina 
di anni fa W. Kem, allora assistente 



presso i laboratori Hoffmann-La Roche 
di Basilea, si interessò a questi campio- 
ni e Li studiò nei ritagli di tempo, Nel 
1947 scoprì nel terreno di un giardi- 
no il erisene, idrocarburo costituito da 
quattro anelli aromatici e in seguito a 
questa scoperta divenne il fondatore di 
una nuova branca della chimica ambien- 
tale. Presto furono trovali composti af- 
fini. L'isolamento in terreni campestri 
del benzo[a]pirene, un idrocarburo for- 
temente cancerogeno, stimolò le analisi 
in tutto il mondo. Dalla fine degli anni 
sessanta era convinzione generale che in 
quasi tutti i terreni, se non in tutti, erano 
presenti dai IO ai 15 idrocarburi non so- 
stituiti, ovunque in proporzioni analo- 
ghe. Varie ipotesi ne attribuivano La for- 
mazione ai batteri del terreno, alla de- 
composizione di materia vegetale, ali'in- 
qtrnamento da fallout atmosferico, Ben 
presto furono evidenti le limitazioni di 
questo quadro quando più recenti meto- 
di analitici, dotati di un elevato potere di 
separazione, furono applicati allo studio 
dì miscele di idrocarburi policiclicì nei 
terreni e nei sedimenti recenti. 

Nel terreno e nei sedimenti recenti ì 
più abbondanti sono gli idrocarburi aro- 
matici non sostituiti, che sono accompa- 
gnati da numerose serie di membri sosti- 
tuiti contenenti gruppi metilici, catene 
alchiliche e composti pentatonici saturi 
ad anello. Sono anche presenti composti 



CATENE NON RAMIFICATE 



CATENE RAMIFICATE 



++ 



CARBONIO METANO 





BUTANO 



2^METlLBUTANO 



STRUTTURE 
SCHEMATICHE 



BUTANO 



2^METH_BUTAN0 



NONANO 



2-M FTI L-6- ETf L N N A N O 



La varietà dei composti del carbonio è in teoria illimitata. Con le sue 
quattro valenze, o legami » l'atomo di carbonio forma facilmente 
catene, ramificale e non, e strutture ad anello in gran varietà. Nei mo- 
delli realizzati con palline e bastoncini, illustrati in alto nello schema, 



le palline grandi rappresentano gli atomi di carbonio e quelle piccole 
gli atomi di idrogeno, Le strutture ad anello contenenti carbonio, pre- 
senti quasi ovunque in natura, sono quelle basale sull'anello benzeni- 
co: < VII,.. Il benzene è descritto come composto insaturo poiché non 



COMPOSTI AD ANELLO 





CICLOESANO 



BENZENE 



CICLOESANO 
[SÀTURO} 



BENZENE 



(AROMATICI) 



tutte le valenze libere del carbonio sono legate ad atomi differenti. I 
chimici usano il temine aromatico per descrivere i composti ad anello 
insaturi. La naftalina è il più semplice idrocarburo aromatico pò liei - 
clico, ossia a più anelli. Il cicloesano, CV,H ]: , è l'analogo saturo del 




NAFTALINA 



NAFTALINA 



benzene. Nella rappresentazione schematica dell'anello benzeni™, 
illustrala <iui + i legami semplici e doppi si alternano nell'anello. In 
realtà però tutti i legami carbonio -carbonio sono equivalenti come se 
ira ogni coppia di atomi di carbonio ci fosse un legame e mezzo. 



20 



21 



affini agli idrocarburi aromatici, conte- 
nenti zolfo. Questi principali elementi 
strutturali si incontrano in sistemi misti 
in un numero quasi infinito di permuta- 
zioni, La composizione idrocarburica ri- 
mane straordinariamente costante su una 
ampia estensione geografica, dai terreni 
continentali ai sedimenti che stanno sul 
fondo marino e dai depositi con caratte- 
ristiche ossidanti o fortemente riducenti. 



È molto improbabile che la gran diversità 
di organismi associata a una tale varietà 
di luoghi possa fornire le stesse serie di 
idrocarburi nelle stesse proporzioni. La 
complessità della composizione e Tana- 
logia nelle concentrazioni di composti 
affini, inoltre, è una prova contro l'ori- 
gine biochimica. 

Allora, può essere valida Tipotesi dì 
un'origine termica per queste miscele se- 



dimentarie di idrocarburi? Io penso di sL 
In tutte le serie predominano gli idrocar- 
buri non sostituiti. Sono presenti derivati 
alchilici che hanno fino a 10 atomi di 
carbonio sostituiti, ma la loro concentra- 
zione diminuisce rapidamente con Tau- 
mentare delTalchilazione (si veda l'illu- 
strazione in basso a pagina 24). Questo è 
esattamente quanto ci si aspetta per la 
pirolisi a media temperatura. Ci sono 




ÀNTRACENÉ 



TETHACENE 



^^, 





FENANTRENE 



CRISENE 



PICENE 



X\ 



PIRENE 





BENZOPIRENI ISOMERI 







PERILENE 



CORONENE 



MESO-NAFTODIANTRENE 



(ìli idrocarburi aromatici policiclici consistono di due o più anelli fusi 
tra loro in vari modi. Gli anelli a sei atomi di carbonio sono ì più sta- 
bili poiché richiedono la minor distorsione degli angoli naturali dì 
tegame degli atomi di carbonio. Gli anelli possono essere disposti 



linearmente {prima /ila in alto), ad angolo (seconda fifa) o a grappolo, 
come è illustralo dalle restanti configurazioni. 1 due nenzopireni si 
dicono isomeri perché differiscono nella geometrìa della molecola- La 
forma isomerica a destra, benzolalpirenc, è un agente cancerogeno. 



dei prodotti di pirolisi naturale che mo- 
strano uno schema del genere? Il mio 
collega William W. Youngblood della 
Florida Technological University ci sug- 
gerì di analizzare una sostanza aromatiz- 
zante commerciale ottenuta per distilla- 
zione del legno di hickory a temperature 
moderatamente elevate. 

Straordinariamente, lo schema di di- 
stribuzione alchtlica di quel prodotto di 
pirolisi si accordava con le nostre osser- 
vazioni sul suolo e sui sedimenti giovani. 
Questa prova escludeva la possibilità che 
numerose fonti termiche avessero contri- 
buito a formare gli idrocarburi sedimen- 
tari. Per esempio, gli idrocarburi aroma- 
tici policictici presenti nell'aria inquina- 
ta, derivanti dalla combustione incom- 
pleta nelle fornaci e nei motori a tempe- 
rature più elevate, contengono meno de- 
rivati alchilici di quelli che si trovano nei 
campioni di sedimento. Il petrolio grez- 
zo, all'altra estremità dello spettro delle 
temperature dì formazione, è molto più 
al uh il aio. Se gli idrocarburi politici ici si 
fossero formati per decomposizione di 
materiale vegetale, dovrebbero essere an- 
cora più alenila». In ogni caso si deve 
considerare improbabile che la decompo- 
sizione di materiale vegetale concorra a 
formare la frazione di idrocarburi aro- 
matici policiclici trovata in lutto il mondo 
nei sedimenti per il motivo che ho già cita- 
to: l'enorme diversità degli organismi 
coinvolti. Pertanto, l'evidenza suggerisce 
che la frazione di idrocarburi aromatici 
policiclici viene prodotta mediante pro- 
cessi piroliticì naturali. Ma come è possi- 
bile che la composizione della frazione sia 
così costante in una serie di campioni 
tanto ampia? 

Io ho una teoria interessante che spie- 
gherebbe la relativa uniformità della fra- 
zione di idrocarburi aromatici policiclici 
trovati nel suolo e nei sedimenti marini 
recenti. Grandi quantità di prodotti di 
pirolisi si formano in seguito a incendi 
che si sviluppano nelle foreste e nelle 
praterie e poi vengono dispersi dai venti. 
La calìgine che sovrasta F Atlantico set- 
tentrionale è attribuita in parte a tali 
incendi. In realtà, Dwight M. Smith. 
John J. Griffin e Edward D. Goldberg 
della Scripps Institution of Oceanogra- 
phy hanno trovato particelle di carbone 
con una riconoscìbile struttura legnosa 
nei sedimenti marini profondi. Altri ri- 
cercatori hanno riferito di aver rinvenuto 
carbonio elementare nei depositi marini 
di manganese dove noi avevamo già sco- 
perto idrocarburi aromatici. 

Oltre a tali particelle dì carbone» gli 
incendi delle foreste e delle praterie pro- 
ducono in grande abbondanza idrocar- 
buri aromatici. Come la massa dì gas, 
raffreddandosi, sale dagli incendi, le par- 
ticelle attive di carbone che si sono appe- 
na formate possono catturare gli idro- 
carburi aromatici e proteggerli dall'ossi- 
dazione indotta dalla luce durante il loro 
movimento attraverso l'atmosfera. La 
miscelazione che avviene durante il tra- 
sporto potrebbe spiegare sia Funi formila 
dì composizione su una vasta area, sìa il 
motivo per cui gli organismi e le condi- 
zioni chimiche del luogo dove si deposi- 




tili isomeri degli alchìlnaflaleni contengono per definizione lo stesso numero di iilomi di carbo- 
nio e dì idrogeno. Esistono solo quattro isomeri del numerosi possìbili. Il termine alchìle si rife- 
risce alle catene laterali. Benché gli isomeri siano identici chimicamente le loro differenze strut- 
turali danno luogo a proprietà diverse. Nonostante ciò, è difficile isolare gli isomeri in forma pura. 




ti primitivo pigmento rosso fu estratto dall'autore dal peduncolo fossilizzato del giglio di mare 
del genere Mìtterìcrinus {si veda Villust razione a pagina /*). El pigmento appartiene alla famiglia 
delle fringelili che differiscono fra loro per il numero e Ih posizione dei gruppi ossidrile (OH). 



22 



23 



^N 



^x 



D1BENZOTIOFENE 



AZACR1SÉNE 




l/aggìuntu dì utomì diversi uj^li itlrcicarburi aromatici policiclici aumenta notevolmente il numero 
delle permutazioni strutturali possi hili . L'alizarina, il brillimi? pigmento rosso dell 'epoca napoleoni- 
ca, eon [iene nella sua molecola atomi di ossìgeno e gruppi ossidrilici come sostituenti periferici, Pn - 
senta una ceri asomiglìanza con iaslruttura della fringeìile Illustrala nella pagina precedente in basso. 



ESEMPIO: DUE ATOMI 01 CARBONIO 

ALCHILICI SUL FENANTRENE 





{1 .10DIMET1LFENANTRENEÌ 
ATOMI DI 

CARBONIO ALCHILtCI 
SUGLI ANELLI AROMATICI 



4 6 

NUMERO DEGÙ ATOMI DI CARBONIO 
ALCHILICI SUGLI ANELLI AROMATICI 



t 







2 

L 



3 



■: 



2 460 2 4 6 2 460 2 4 6 

NUMERO DEGLI ATOMI DI CARBONIO ALCHILICI SUGLI ANELLI AROMATICI 
TEMPERATURA ELEVATA TEMPERATURA MEDIA TEMPERATURA BASSA 

(-2000 *C,) (-800-400 °C.) M5Q D -100 D C.) 

Il numero degli atomi di carbonio aleni liei presenti come catene laterali negli idrocarburi umilia- 
tici poJiciclici è strettamente legato alla temperatura alla quale si formarono i composti. In una 
miscela tipica {curva in alta a sinistrai gli anelli che non hanno catene laterali sono i più comuni; 
in generale, più sono gli atomi di carbonio nelle catene laterali, minore è l'abbondanza. Un 
esempio di composto policìclico con due atomi di carbonio alchilici è rLlO-dimelitfenanirene, 
Quando i composti aromatici si formano a temperatura elevata (/>, le catene laterali sono 
virtualmente assenti. A temperature inferiori (2, J), L'abbondanza di catene laterali aumenta con 
la diminuzione della temperatura. Tuttavia , alle basse temperature che si ritiene siano associale 
con la formazione della maggior parte del petrolio, i composti poJiciclici con due o tre atomi di 
carbonio alcbilici superano numericamente te altre configurazioni di idrocarburi policiclicL 



tano non sì riflettono sulla composizione 
chimica delle miscele di idrocarburi. Da 
ukimo, l'ampia estensione delle tempe- 
rature di combustione negli incendi na- 
turali spiegherebbe la varietà dei derivati 
al eh itati osservata. 

Alcuni rari minerali organici, dotati di 
una bella fluorescenza, sono stati 
rinvenuti in California e nell'Europa o- 
rìentale; si trovano insieme a minerali di 
mercurio e a volte con acque minerali e 
sugli sfiati di gas infiammabili» Lo studio 
di questi minerali risale al chimico fran- 
cese Jean-Baptiste- André Dumas, che vi 
lavorò neÈla prima metà del XIX secolo. 
Intorno al 1880, chimici tedeschi isolaro- 
no due idrocarburi aromatici costituiti 
da quattro anelli in campioni prelevati in 
miniere di mercurio a Idrija in Iugosla- 
via. La idriaìite proveniente da quella 
località, la curtisite proveniente da Skaggs 
Springs, in California, e minerali affini 
trovati in altre località sono stati da tem- 
po oggetto di numerose ricerche, I meto- 
di analitici semplici usati fino in tempi 
recenti suggerirono una composizione 
semplice con* pochi componenti, forse 
solo uno, Come con gli idrocarburi sedi- 
mentari, i nostri metodi più nuovi hanno 
rivelato una complessità di composizione 
del tutto imprevista. Benché la idriaìite e 
la curtisite siano nettamente differenti 
dal punto di vista chimico, le serie di 
idrocarburi in esse presenti sì sovrappon- 
gono per un certo grado. Esse contengo- 
no almeno diverse centinaia di idrocar- 
buri aromatici policiclici, insieme a com- 
posti analoghi contenenti zolfo e azoto e 
derivati alchilici e cicloalchilici in molte 
combinazioni di sostituzione. 

L'analisi chimica può dirci qualcosa 
circa l'origine dì questi minerali? La di- 
stribuzione delle catene aichiliche degli 
idrocarburi aromatici poJiciclici nella 
idriaìite e nella curtisite assomiglia alla 
distribuzione delle stesse nel suolo e nei 
sedimenti recenti* Pertanto gli idrocar- 
buri non sostituiti sono i più abbondanti. 
Tuttavia le serie aichiliche non si esten- 
dono tanto, e la diminuzione della con- 
centrazione da un membro di una serie 
al successivo è maggiore che non nel 
distillato del legno di noce. Ciò suggeri- 
sce l'ipotesi di un'origine pìrolìlica a 
temperature più elevate di quelle degli 
incendi nelle foreste e nelle praterie, ma 
inferiori a quelle dei forni e dei motori. 

L'insieme degli idrocarburi poJiciclici 
presenti nella idriaìite e nella curtisite 
differisce stranamente da quello trattato 
finora per il modo in cui sono disposti 
gli anelli benzenici. In base alla disposi- 
zione degli anelli, si hanno tre ampie 
categorie: lineare (con tutti gli anelli su 
una linea), angolare (con gli anelli a 
scala) e a grappolo (con almeno un anel- 
lo circondato su tre lati), che presentano 
diversa stabilità. La disposizione lineare 
neil'antracene e nel tetracene è La meno 
stabile; il tetracene e gli idrocarburi più 
complessi, a esso equivalenti, possono 
essere preparati in laboratorio, ma non 
sopravvivono in natura. Il pirene, il ben- 
zopìrene e il perilene, che sono costituiti 
da grappoli di anelli benzenici» sono più 




Un alone di grafite si forma attorno a cristalli di chiastolite (silicato di 
alluminio) in crescita, in alcuni minerali associati a sedimenti sepolti 
iti profondità, fn questi sedimenti la materia organica è trasformata in 



composti organici che hanno volatilità diversa. La frantone più refrat* 
tana è la grafite, che rimane in esemplari come quello raffigurato qui e 
rimi-ruto da R. Sawdo della Woods Holc Oceanographtc Inslitulion. 



stabili e si trovano comunemente nei 
prodotti dj pirolisi. La configurazione 
più stabile è quella ìn cui gli anelli benze- 
nici sono disposti ad angolo, come nel 
fenantrene, nel erisene e nel picene. Tali 
serie stabili abbondano nella idriaìite e 
nella curtisite, che contengono pochi i- 
drocarburi del tipo a grappolo che sono 
comuni nel suolo, nei sedimenti, nel ca- 
trame di legno, nel fumo del tabacco, nel 



petrolio e nei gas di scarico delle auto- 
mobìli. 

Evidentemente, le serie del tipo a grap- 
polo si formano nella pirolisi indipen- 
dentemente dalla temperatura. Perman- 
gono se i prodoni di reazione vengono 
rapidamente raffreddati a temperature in 
cui si arresta la decomposizione dei pro- 
dotti meno stabili, come nel caso del ca- 
trame di legno; si trovano anche nel pe- 



trolio poiché quest'ultimo non ha mai 
raggiunto temperature favorevoli alla eli- 
minazione o alla ristrutturazione dei si- 
stemi ad anello meno stabili. 

Ciò suggerisce che la idriaìite e la 
curtisite perdono le configurazioni a grap- 
polo instabili, poiché queste sono state 
eliminate per effetto della prolungata e- 
sposìzione alle alte temperature. 

Con tali conoscenze del comportamene 



24 



25 



to chimico e con le nozioni geologiche 
generali si possono interpretare la for- 
mazione e Involuzione di questi minerali 
idrocarburici in questo modo. I sedimen- 
ti contenenti composti organici vengono 
trasportati dai movimenti della crosta 
terrestre verso regioni più profonde di 
quelle in cui il petrolio si è tipicamente 
formato. In tali regioni più profonde la 
temperatura alia quale avviene la pirolisi 
raggiunge i 400-500 gradi centigradi. Il 
materiale organico originale viene di- 
strutto: ì suoi costituenti subiscono una 
ristrutturazione e diventano termodina- 
micamente stabili. Uno dei prodotti è la 
grafite» che rimane alla profondità origi- 
naria. I gas idrocarburici stabili (in parti- 
colare il metano) e gii idrocarburi aro- 
matici policiclici (insieme con i composti 
analoghi contenenti zolfo e azoto) riman- 
gono press 1 a poco alla profondità origi- 
naria per un tempo abbastanza lungo per- 
ché siano distrutti gli idrocarburi meno 
stabili. Alla fine il resto degli idrocarburi 
si muove verso la superfìcie con i gas, le 
acque minerali e i minerali di mercurio 
che sono riconosciuti per la loro mobilità 
geochimica. Durante la migrazione, gli 
idrocarburi si separano per cristallizza- 
zione frazionata, Le frazioni a peso mo- 
lecolare e punto di fusione più elevati 
formano la id ri al ite e la pendi etoni te; le 



frazioni aventi peso molecolare e punto 
di fusione più bassi danno luogo alla 
curtisite. 

L'analisi chimica ci ha nuovamente 
fornito la chiave della formazione di un 
insieme naturale di idrocarburi; essa sug- 
gerisce grossolanamente la modalità di 
formazione e fornisce una prova circa la 
temperatura di formazione e la durata 
dell'esposizione al calore. Col proseguire 
delle nostre ricerche, noi trovammo una 
spiegazione per la formazione di idrocar- 
buri in materiali cosi diversi come terreni, 
sedimenti recenti» catrame di legno, fumo 
di tabacco, gas di scarico dei motori e 
minerali quali La idrialite e la curtisite. 
Studiando gii idrocarburi aromatici poh'- 
cicìici presenti nel petrolio, trovammo 
anche correlazioni fra la struttura chimi- 
ca e i processi di formazione degli idro- 
carburi. 

Il petrolio può rappresentare la misce- 
la organica più complessa presente sulla 
Terra. Esso sì è formato dai residui della 
vita primordiale in sedimenti sepolti, at- 
traverso reazioni chimiche che richiedo- 
no milioni di anni per completarsi, La 
trasformazione assomiglia alla pirolisi, 
ma le reazioni sono straordinariamente 
lente a causa delle moderate temperature 
coinvolte; forse inferiori ai 150 gradi 
centigradi. Si formano così e si conser- 



vano composti che non si sarebbero os- 
servati nei prodotti della pirolisi a eleva- 
le temperature. 

L'analisi chimica della frazione di idro- 
carburi aromatici policiclici presente 
nel petrolio è una specie di sfida. Un'a- 
deguata scissione analitica richiede la 
combinazione di molte tecniche diverse; 
inoltre raramente vengono isolati com- 
posti semplici puri. Harold J. Coleman e 
i suoi collaboratori al Bar tJes ville Energy 
Research Center di Oklahoma hanno 
condotto ampie analisi sulle frazioni a- 
romatiche policicliche del petrolio grez- 
zo, in particolare su quelle provenienti 
dalla regione di Prudhoe Bay in Alaska. 
Gli idrocarburi aromatici policiclici sono 
abbondanti in quanto ammontano a cir- 
ca un sesto della frazione di petrolio che 
distilla tra 370 e 535 gradi centigradi. 
Una proporzione simile è presente in ai- 
cune frazioni che hanno un punto di 
ebollizione più basso, nei distillati supe- 
riori e nel residuo di distillazione, Tre 
caratteristiche di composizione sono qui 
particolarmente adeguate: l'estrema com- 
plessità e l'uniformità nella concentra- 
zione di composti adiacenti entro La nu- 
merosa serie di idrocarburi, la frequente 
incidenza di composti con anelli pentato- 
nici saturi e la presenza di composti in 






COJZZAZ1GNE 




AROMAT1ZZAZIONE 





r^N^N 





FORMAZIONE DI ANELLI PENTATOMICI 



La ciclizzazione e l'aromatizzazione di catene idrocarb uriche sature 
danno luogo a miscele compiesse di composti aromatici policiclici 
trovali nel petrolio. 11 materiate d'origine del petrolio, derivato in 
gran parte dalle piante, è ricco di lunghe catene di atomi di carbonio. 
A elevate temperature nei sedimenti sepolti* alcune catene perdono 
pochi atomi di idrogeno e si trasformano in anelli esatomici {in alto). 
Per successiva perdila di idrogeno, gli anelli saturi si trasformano in 
aromatici (in centro). La sostituzione con catene, seguita da ciclizza- 



zione e aromatizza zio ne, forma gradualmente composti con molti 
anelli. Gli anelli pentatonici, che pure sì formano facilmente Un 
basso), non possono essere trasformati in anelli aromatici. Se attorno 
a un nucleo aromatico se ne accumulano diversi, si blocca la crescita 
successiva e quindi la formazione di un sistema aromatico più ampio. 
Nel petrolio abbondano idrocarburi aromatici circondati da numerosi 
anelli pentatonici. La loro produzione è favorita da un tempo di rea- 
zione di milioni di anni e dall'assenza di temperature troppo elevate. 



cui i gruppi sostituenti mostrano una 
considerevole tensione sierica, ossia pre- 
sentano angoli di legame distorti oltre il 
loro limite normale. 

La complessità e l'uniformità nella 
concentrazione di composti adiacenti ca- 
ratterizzano l'origine di questa frazione 
dì petrolio grezzo; non è Quindi un mo- 
dello biochimico, ma il risultato di un 
ampio rimescolamento geochimico di 
composti organici mediante reazioni non 
selettive. Nella formazione del petrolio, 
alcune strutture lineari del carbonio sono 
trasformate in anelli saturi a cinque e a 
sei atomi. Tali reazioni sono possibili 
poiché rendono termodinamicamente sta- 
bile il materiale di origine. Gli anelli 
saturi a sei atomi così creati vengono su- 
bito trasformati per aro m al izza zi on e - 
perdita di idrogeno - in sistemi aromatici 
ancora più stabili. Tali sistemi possono 
aumentare mediante l'accrescimento e 
Paromatizzazione di nuovi anelli esato- 
mici saturi. 

Gli anelli a cinque atomi, d'altra par- 
te, non si convertono subito in strutture 
aromatiche, così che con il passare del 
tempo due, tre o più anelli possono cre- 
scere attorno a un nucleo aromatico, 
bloccando così il suo successivo sviluppo 
in un grosso sistema aromatico. Gli anel- 
li pentatomici attorno a un nucleo aro- 
matico sono numericamente più abbon- 
danti nel petrolio che nelle serie idro car- 
ta urie he formatesi a elevate temperature. 
Ciò riflette il fatto che il petrolio ha avu- 
to a disposizione per la sua formazione 
molto più tempo; l'ordinamento degli 
anelli può continuare, sebbene a bassa 
intensità, per milioni di anni. Nella piro- 
lisi a temperature più elevate gli anelli 
pentatomici contenuti nelle strutture a- 
romatiche sono meno abbondanti sia per- 
ché il tempo di reazione è breve, poiché 
il materiale di partenza è rapidamente 
trasformato in composti a sei atomi e in 
sistemi aromatici, sia perché la tempera- 
tura è abbastanza elevata da rompere i 
legami carbonio-carbonio presenti negli 
anelli saturi. 

Molecole sotto forte tensione in cui un 
singolo gruppo CH a forma un ponte tra 
due atomi di carbonio aromatici, come 
nel 4, 5-metilen fenantrene {si veda i'iif lu- 
strazione in questa pagina), si formano 
con abbondanza relativa diversa in vari 
ptrolisati. Essi sono abbondantissimi nel 
catrame di legno, meno abbondanti nel 
terreno e nei sedimenti e ancora meno 
abbondanti nel petrolio grezzo. Nella i- 
d Halite e nella curtisite tali composti so- 
no pressoché assenti, L'angolo dì legame 
distorto al ponte CH 2 implica che tali 
molecole abbiano un contenuto energeti- 
co più elevato delle molecole con tensio- 
ne minore e pertanto siano meno stabilì. 
Noi attribuiamo la formazione di ponti 
CHi sotto tensione nel corso della piroli- 
si a reazioni energetiche che resistono al 
raffreddamento rapido (come nel catra- 
me e nel fumo) o alle basse temperature 
(come nella formazione del petrolio) che 
abbassano la velocità alla quale può av- 
venire una ristrutturazione. 1 ponti CHj 
non sono presentì nella idrialite e nei mi- 
nerali simili perché furono esposti a tem- 




h f 



L^x 



y^ 




4,5-METlLENFENANTfìENE 1,10-ETILEN FENANTRENE 

AUMENTO DI TENSIONE 



DIMINUZIONE DI STABILITA' 



AUMENTO DELL'ASBONOANZA IN: 



CATRAME 
DI LEGNO 



TERRENI E SEDIMENTI 



PETROLIO 
GREZZO 



CURTISITE 



Anelli pini M umici àoiio Icnsiunt? si f urinano per pirolisi (esposizione a lemperaiure elevale) <!a 
calene akhiliche laterali. Se la struttura madre fornisce ire de» cinque lati dell'anello finale è ne- 
cessario un solo atomo di carbonio ak-hilico {a sinistra). Negli altri casi la destra) possono essere 
necessarie due catene akhiliche. Poiché i legami carbonio-carbonio sono sotto una tensione 
maggiore negli anelli pentatomici che non in quelli esatomici, i primi hanno un contenuto ener- 
getico maggiore e pertanto una minore stabilità. Gli anelli pentatomici sopravvìvono senza gran- 
de dif ricolta se la miscela pirolitica viene prontamente raffreddata, come avviene nel caso del Fu- 
mo prodotto da un incendio, o se la pirolisi continua per lungo tempo a bassa lemperatura. 



perature elevate per lunghi periodi dopo 
la pirolisi iniziale. 

Questi esempi serviranno a dimostrare 
l'abbondanza di informazioni che sono 
racchiuse nella struttura di composti or- 
ganici presenti in natura. I parametri che 
ho trattato riflettono la caratteristica dei 
materiali di partenza t i processi di for- 
mazione, le temperature alle quali i com- 
posti si formano e il tempo di reazione. 
Le relazioni tra questi parametri suggeri- 
scono che questi composti potrebbero 
essere usati come «termometri» e «oro- 
logi» geologici. Tuttavìa la loro «taratu- 
ra» presenta un problema difficile. Ci 
deve essere un'interdipendenza comples- 
sa tra i parametri, poiché il tempo e la 
temperatura influenzano entrambi la so- 
pravvivenza di strutture instabili. Tutta- 
via, anche allo stadio attuale delle nostre 
conoscenze, l'analisi chimica particola- 



reggiata ci ha aiutato a riconoscere una 
ampia gamma di processi ambientali e ci 
ha guidato verso una visione unificata di 
materiali che sono remoti per quanto ri- 
guarda l'origine e i processi di* forma- 
zione. 

Non tutte le miscele naturali di idro- 
carburi aromatici policiclici hanno 
un'unica origine predominante. Spesso si 
presenta una situazione più complessa in 
cui più di una fonte di idrocarburi con- 
tribuisce alla formazione del campione. 
Per esempio, un sedimento marino re- 
cente può contenere combustibili fossili 
derivati da petrolio versato in mare in 
aggiunta agli idrocarburi che noi attri- 
buiamo alta caduta di particelle di fulig- 
gine provenienti dagli incendi di foreste e 
praterie. 1 differenti schemi di composi- 
zione dovrebbero rendere possìbile il ri- 



26 



27 



conoscimento di queste varie origini. 
Con il mio collaboratore Jeremy Sass 
ho studiato un caso analogo. Uno spar- 
gimento di petrolio nella Buzzards Bay 
poco lontana dai Massachusetts ha con- 
taminato lì sedimento profondo vicino 
alla costa con un olio pesante che ha un 
punto di ebollizione relativamente basso. 
L'estrazione e T isolamento della frazione 
contenente idrocarburi aromatici pò liei - 
elici a punto di ebollizione più elevato e 
le analisi successive rivelano lo schema di 
base normale che osserviamo non solo in 
ogni pane della baia, ma anche nel terre- 
no a essa adiacente. Gli aromatici non 
sostituiti predominano e lo schema dì di- 
stribuzione dei derivati alchilici è la sola 
caratteristica del fumo di legna, cioè de- 
gli idrocarburi che noi attribuiamo alla 
ricaduta di fuliggine. Dentro la gamma 
dei punti di ebollizione dei composti pre- 
senti nel combustibile versato, tuttavia, i 
derivati alchilici sono più abbondanti de- 



gli idrocarburi non sostituiti. Questa è 
una caratteristica del petrolio ed è straor- 
dinario che possa essere ancora osservata 
adesso, quasi sei anni dopo. 

Un esempio particolarmente interes- 
sante di una doppia origine deriva da 
una nostra più recente ricerca di idrocar- 
buri in un crinoide fossile proveniente 
dalla catena del Giura in Svizzera. Que- 
sto animale marino fossilizzato ha una 
intensa colorazione prodotta da pigmenti 
che sono dispersi nella matrice rocciosa 
del fossile. II pigmento, presente sotto 
forma di minuscoli cristalli, è un minera- 
le organico vero e proprio; l'abbiamo 
chiamato fringeltte dal nome della mon- 
tagna» Fringdi, dove fu scoperto. Poiché 
composti analoghi si trovano tuttora in 
esemplari viventi affini a questa specie 
animale, noi presumiamo che il pigmen- 
to, o almeno i suoi stretti precursori, 
facesse parte dell'animale che visse nel 
Mare Giurassico 150 milioni di anni fa. 



La fringelite e le sostanze a essa affini 
sono composti aromatici. Quando ten- 
tammo di scindere i pigmenti fossili me- 
diante cromatografia notammo nella pri- 
ma frazione che usciva dalla colonna dei 
pigmenti dei materiali quasi incolori, ma 
intensamente fluorescenti. Studi succes- 
sivi rivelarono una serie continua dì com- 
posti politiche) che contenevano da tre a 
sette anelli aromatici, I membri inferiori 
della serie non sono particolarmente ab- 
bondanti e assomigliano molto alle mi- 
scele di composti aromatici che si trova- 
no in moki altri esemplari geologici. Pos- 
sono essere ciò che è rimasto di composti 
che furono sintetizzati in ere geologiche 
passate o, ciò che è più probabile, posso- 
no essere i prodotti di una trasformazio- 
ne geologica che ha avuto origine nei se- 
dimenti profondi non sufficientemente 
ricchi di materiale organico per formare 
petrolio. A pesi molecolari più elevati 
trovammo idrocarburi insoliti, che non 



CARATTERISTICHE STRUTTURALI 




GRADO DI ALO HI LAZIO NE 



/N 





DISPOSIZIONE DEGLI ANELLI (LINEARE, AD ANGOLO, A GRAPPOLO} 




TENSIONE 




NUMERO DI ANELLI PENTATONICI 



PREFERENZA STRUTTURALE 



BASSO GRADO DI ALCH DAZIONE 



DISPOSIZIONE AD ANGOLO 
DEGLI ANELLI 



ALTO GRADO DI TENSIONE 
NELL'ANELLO 



ANELLI PÉNTATOMICI MULTIPLI 



CONDIZIONE DI FORMAZIONE 



ALTA TEMPERATURA DI FORMAZIONE 

ALTO CONTENUTO DI CARBONIO 

NEL MATERIALE DI ORIGINE 



TÈMPO LUNGO DI EQUILIBRAMENTO 

ELEVATA TEMPERATURA 

DI EQUILIBRAMENTO 



TEMPO BREVE DI EQUILIBRAMENTO 
BASSA TEMPERATURA DI FORMAZIÓNE 



TEMPO LUNGO DI REAZIONE 
BASSA TEMPERATURA DI FORMAZIONE 



I li configura/ione delle slriUture idroearhuriehe irò vaie nello miscele 
gei uhi mi che fornisce preziose informazioni sulle tondi/ioni in cui le 
si riunire si formarono. Il tipo e l'ordinamento spaziale delle catene 
alchiliche e degli anelli saturi e ammalici può variare in un ampio 



raggio. La presenza di strutture privilegiate in miscele naturali di idro- 
carburi aromatici policiclici riflette la composizione del materiale d'o- 
rigine» le temperature di formazione e di trasformazione e la durata 
dei processi chimici coinvolti nella formazione delle varie molecole. 



erano mai stati isolali da sedimenti e che 
presentavano proprio quelle caratteristi- 
che che noi avevamo previsto per sostan- 
ze di origine biochimica, piuttosto che 
geochimica. Il numero di tali composti è 
limitato» le strutture chimiche sono inso- 
lite e le concentrazioni sono molto più 
elevate del normale {si veda i 'illustrazio- 
ne qui a destra). 

Un'analisi strutturale più dettagliata 
sostiene questa interpretazione. Gli idro- 
carburi insoliti sono i sistemi aromatici 
ad anello sui quali si basano le frìngeliti. 
Non siamo sicuri se quegli idrocarburi 
fossero già presenti negli animali vivi e 
pertanto rappresentino puramente pro- 
dotti biochimici, oppure se siano prodot- 
ti di trasformazione geochimica di pre- 
cursori biochimici strettamente affini al- 
le fringeliti. Entrambe le teorie soster- 
rebbero il valore profetico delle relazioni 
che ho suggerito tra struttura chimica e 
origine biologica. 

La nostra visione generale degli idro- 
carburi aromatici presenti in natura 
è ora cambiata in modo sostanziale. Il 
quadro di circa una dozzina di composti 
semplici distribuiti sulla Terra in propor- 
zioni simili ci ha dato modo di dedurre 
che la miscela è straordinariamente com- 
plessa e mutevole e che le sue origini so- 
no diverse. Finora la miscela non è stata 
analizzata completamente; in realtà, allo 
stato attuale delle conoscenze in campo 
analitico, non può essere scomposta in 
tutti i suoi componenti. Finora le nostre 
analisi, benché incomplete, rivelano l'in- 
tervento di numerosi processi chimici 
fondamentali e noi stiamo imparando a 
leggere nelle strutture idrocarburiche un 
codice che può essere decifralo in termi- 
ni di origini e di processi di formazione, 
trasformazione e movimento di massa. 
Abbiamo esaminato un'ampia gamma di 
campioni e la prova che gli idrocarburi 
aromatici policiclici naturali abbiano una 
origine termica è schiacciante. 

Idrocarburi aromatici policiclici deri- 
vati da pirolisi sono stati presenti sulla 
Terra per lungo tempo. L'uomo è sem- 
pre stato a contatto con prodotti di com- 
bustione egli incendi naturali e le reazio- 
ni nei sedimenti formarono gli idrocar- 
buri aromatici policiclici molto prima 
della comparsa dell'uomo. Tuttavia, a- 
desso sappiamo che gli idrocarburi pre- 
senti nel fumo, nel fallout atmosferico, 
nei sedimenti e nei combustibili fossili, 
contengono, oltre a composti già ricono- 
sciuti che danno luogo al cancro e a mu- 
tazioni, nuovi composti cancerogeni e 
mutageni. Da ciò deriva una nuova do- 
manda: tali materiali hanno contribuito 
in modo significativo al ruolo di muta- 
zione nell'evoluzione della specie? Essi 
potrebbero essere classificati con gli altri 
mutageni naturali come la radiazione ul- 
travioletta e la radiazione nucleare. 

Gli idrocarburi aromatici policiclici ora 
entrano a far parte dell'ambiente in 
quantità maggiori che non nelle passate 
ere geologiche. 

Tra le origini predominanti figurano 
la combustione incompleta del legno, del 
carbone e del petrolio e lo scarico di pe- 



10000 - 




ESA1DRO-MES0-NAFTOD1ÀNTRÉNE 



1000 — 



< 

O 



100 — 



10- 



1 -I 



ESAi DRO-MESO-ANTRODtAlSI TRENE 








ANTANTRENE 





FENANTRENE 




B ENZO [Oj PI RENE 



PERILENE 



J 



Nel giglio di mare fossile MtUerìcrìnus si trovanti il ut- gruppi di idrocarburi. Il gruppo menu 
abbondante consiste di strutture abbastanza piccole da tre a sei anelli benzenici condensati tro- 
vali in abbondanza anche in sedimenti antichi. Il gruppo più numeroso consiste di strutture poli- 
cicliche mollo più grandi Un colore) che non sono mai state trovate in altri deposili. le loro 
strutture sono cosi simili a quelle dei pigmenti detti ffingelilì che sembra possibile un'origine co- 
mune. fC questo uno dei pochi casi in cui una parte di una miscela nat tirale di idrocarburi aroma- 
liei policiclici non ha origine da pirolisi, ma può essere fatta risalire a un organismo vivente. 



trolio grezzo o raffinato. Sono state con- 
dotte prove per valutare gli effetti di 
questo nuovo afflusso di idrocarburi a- 
romatici nell'ambiente, tuttavia queste 
prove sono precedenti al recente ricono- 
scimento che La miscela ambientale di 
idrocarburi aromatici è straordinaria- 
mente complessa» che ha molte origini, 
che è difficile da analizzare e che di 
molti componenti non è mai stata sag- 
giata l'attività biologica. Sembra impor- 
tante riprendere in esame il problema 
degli effetti sull'ambiente del nuovo af- 
flusso di sostanze aromatiche alla luce 
delle nostre cognizioni attuali e di ciò 
che ancora non conosciamo. 

Dal primo studio di Dumas sulla idria- 
Lite e dalla scoperta, dovuta a Kern, del 
cri sene nel terreno, la nostra conoscenza 
degli idrocarburi aromatici policiclici si è 



sviluppata di pari passo con l'analisi: 
lentamente durante i periodi in cui l'ana- 
lisi subi una stasi, rapidamente con la 
convergenza di molti metodi analitici mo- 
derni. Io noto uno sviluppo analogo in 
altri campi della chimica organica am- 
bientale. Ciascuna delle nostre tecniche 
migliori è insufficiente da sola per otte- 
nere La scissione completa di composti 
chimici. La domanda: «Quanto comples- 
sa è la natura?» è importante e ha molte 
implicazioni. Come geochimico, vedo 
un'opportunità quasi illimitata a inter- 
pretare un mondo complesso in base ai 
processi che lo hanno formato- Come 
biologo ambientale, sono frustato dalla 
difficoltà, se non dalla impossibilità, di 
prevedere l'effetto dei composti organici 
in natura senza una più completa cono- 
scenza della loro struttura. 



28 



29 



La meteorologia di Giove 

Le caratteristiche visibili del pianeta gigante riflettono la circolazione della 
sua atmosfera. Un modello che riproduca tali caratteristiche dovrebbe 
essere valido anche per atmosfere di altri pianeti, compresa la Terra 

di Andrew P. Ingersoll 



Tutto quello che si riesce a vedere 
dalle fotografie del pianeta Gio- 
ve sono nuvole: le fasce scure, le 
zone più chiare e la grande macchia ros- 
sa. La superficie solida, se davvero esi- 
ste, giace molte migliaia dì chilometri al 
di sotto della superficie visibile. Eppure 
la maggior parte delle caratteristiche at- 
mosferiche di Giove persiste per moltis- 
simo tempo e possiede una struttura or- 
ganizzata sconosciuta all'atmosfera ter- 
restre. Queste differenze, assieme ai fat- 
to che è facile osservare le caratteristiche 
dell'atmosfera dì Giove, fanno del pia- 
neta gigante un laboratorio in cui i me- 
teorologi terrestri possono verificare le 
teorie sulla dinamica dell'atmosfera in 
maniere impossìbili sulla Terra, 

Il diametro di Giove e LJ volte più 
grande di quello della Terra : la gravità 
alla sua superficie è 2,4 volte più grande, 
la sua velocità di rotazione è 2,4 volte 
più grande (una rotazione completa in 10 
ore). Su Giove le variazioni stagionali 
sono quasi inesistenti, perché il suo asse 
di rotazione è quasi parallelo a quello 
della sua orbita attorno al Sole. 

L'atmosfera e l'interno di Giove sono 
composti principalmente d'idrogeno, 
mentre altri elementi, quali elio, carbo- 
nio, ossigeno e azoto vi sono mescolati 
nelle stesse proporzioni in cui sono pre- 
senti nel Sole. Poiché questa miscela non 
solidifica nelle condizioni di pressione e 
temperatura che sono state calcolate per 
Giove, probabilmente il pianeta è com- 
pletamente gassoso o liquido. A tutte le 
profondità la miscela viene lentamente 
mescolata da correnti convettive che por- 
tano calore dall'interno alla superficie. 
Calcoli teorici indicano che molto pro- 
babilmente il calore interno di Giove è 
dovuto ancora all'energia gravitazionale 
della sua contrazione iniziale, di quando, 
cioè, Giove si formò per condensazione 
della stessa nebulosa che diede origine al 
Sole e agli altri pianeti. 

Dal punto di vista della meteorologia 
le differenze principali fra Giove e la 
Terra consistono nel fatto che Giove ha 
una notevole fonte di energia interna e 
manca probabilmente di una superficie 
solida. Le altre differenze - di raggio, 



gravità, velocità di rotazione e così via - 
sono essenzialmente quantitative. Perfi- 
no la composizione chimica dell'atmo- 
sfera di Giove è simile alla composizione 
di quella terrestre, per quello che riguar- 
da Ì suoi effetti sulla meteorologia. Le 
atmosfere dei due pianeti consistono es- 
senzialmente di gas non condensabili: i- 
drogeno ed elio su Giove, azoto e ossige- 
no sulla Terra; in piccole quantità vi so- 
no mescolati vapore acqueo e altri gas 
che possono condensare e formare nubi. 
Dal punto di vista della variazione di 
temperatura che si avrebbe sui due pia- 
neti se tutti i vapori condensabili passas- 
sero allo stato liquido o solido, cedendo 
cosi tutto il loro calore latente, l'atmo- 
sfera di Giove sarebbe influenzata dalla 
condensazione un pochino meno di quel- 
la della Terra. In ogni caso le nubi, la 
condensazione e la precipitazione sono 
importanti nella dinamica di ambedue 
queste atmosfere. 

11 quadro che abbiamo della composi- 
zione e della struttura verticale del- 
l'atmosfera gioviana si basa in parte su 
osservazioni e in parte sulla teorìa. Studi 
spettroscopici compiuti sulla Terra han- 
no stabilito che l'atmosfera è composta 
principalmente di idrogeno molecolare 
(Hi) e dì quantità minori di metano 
(CH*), di ammonìaca (NH 3 ) e di un elen- 
co dì altri gas che si va allungando. In 
questi studi si paragonano le caratteristi- 
che dì assorbimento dello spettro infra- 
rosso di Giove con le caratteristiche dello 
spettro dei gas in laboratorio. Poiché 
ogni gas ha delle lunghezze d'onda carat- 
teristiche alle quali assorbe radiazioni, 
gli spettri di assorbimento dell'atmosfera 
gioviana rendono possibile identificare 
con sicurezza la maggior parte dei gas 
presenti in concentrazioni anche piccolis- 
sime. Fa eccezione l'elio, che assorbe 
radiazioni solo nella parte ultravioletta 
dello spettro, a lunghezze d'onda che 
non si possono osservare attraverso l'at- 
mosfera terrestre. Tuttavia recentemente 
l'elio è stato determinato per mezzo di 
uno spettrometro ultravioletto posto sul- 
la navicella spaziale Pioneer IO, e si é 
osservato anche l'effetto dell'elio sullo 



spettro infrarosso di altri gas presenti. 

Dalle intensità relative degli spettri di 
assorbimento dell'idrogeno* del metano 
e dell'ammoniaca si possono ricavare le 
concentrazioni relative degli stessi gas. 
Su Giove il rapporto fra il numero di 
atomi di carbonio e gli atomi di idrogeno 
è circa 1 /3000 e il rapporto atomi di azo- 
to su atomi di idrogeno è 1/10 000. Que- 
ste abbondanze sono prossime a quelle 
degli stessi elementi nel Sole. Entro certi 
limiti il rapporto elio-idrogeno su Giove 
è simile al rapporto elio -idrogeno ricava- 
to per il Sole (1/15). Sono proprio i rap- 
porti dì concentrazione, insieme alla bas- 
sa densità di Giove nel suo insieme, che 
fanno pensare che la sua composizione 
sia molto simile a quella del Sole. 

La quantità di calore irradiata da Gio- 
ve indica che l'interno del pianeta è cal- 
do; se Ti memo fosse freddo non ci sa- 
rebbe stato abbastanza calore da durare 
fino a oeci. Una conseguenza del model- 
lo dell'interno caldo di Giove è che non 
vi si possono formare dei solidi. Oggi si 
pensa che il pianeta sia principalmente 
liquido, con una transizione graduale a 
una atmosfera gassosa nelle poche mi- 
gliaia di chilometri più esterni. 

Anche i dati spettroscopici delle lun- 
ghezze d'onda radio e infrarosse danno 
informazioni sulla pressione e la tempe- 
ratura nell'atmosfera di Giove. Ai livelli 
più profondi la temperatura diminuisce 
con l'altitudine al tasso di circa due cen- 
tigradi per chilometro. Questo valore è 
prossimo a quello della variazione adia- 
batica di temperatura, cioè al valore del 
gradiente termico in un'atmosfera ben 
mescolata. In un'atmosfera adiabatica 
piccoli volumi di gas si muovono ver- 
ticalmente senza scambiare calore con 
quelli circostanti \ diventano più caldi o 
più freddi soltanto perché varia la loro 
pressione se salgono o se discendono. 
Volumi adiacenti di atmosfera alla stessa 
quota sono indistinguibili gli uni dagli 
altri. Di solito un gradiente termico adia- 
batico indica anche che l'atmosfera viene 
rimescolata per convezione. 

La temperatura nell'atmosfera dì Gio- 
ve è di 165 kelvin (gradi centigradi al di 
sopra dello zero assoluto) alla quota in 



cui la pressione è dì una atmosfera (pres- 
sione dell'atmosfera terrestre al livello 
del mare). La temperatura seguita a di- 
minuire con l'altezza fino a raggiungere 
un valore minimo di 105 kelvin alla quo- 
ta in cui la pressione è 0,1 atmosfere; a 
questo punto ricomincia ad aumentare 
lentamente, Per analogia con V atmosfe- 
ra terrestre questo minimo segna l'inizio 
della stratosfera dì Giove. In quest'ulti- 
mo strato la temperatura è controllata 
essenzialmente dall'irraggiamento, piut- 
tosto che dalla convezione. 

Su Giove esistono nubi sottili che giun- 
gono fino alla base della stratosfera. Do- 
ve la pressione va da 0,6 a una atmosfera 
cominciano a presentarsi nuvole spesse e 
rotte, con fori che si aprono su livelli più 
profondi. Quindi la pressione nella parte 
più alta delle nuvole è simile sulla Terra 
e su Giove. Invece a quei livelli su Giove 
la temperatura è molto più bassa, perché 
Giove è cinque volte più lontano dal Sole. 



La sola spettroscopia non consente di 
stabilire la composizione delle particelle 
delle nuvole gioviane e la natura del 
materiale che le dota dei loro colori ca- 
ratteristici. A questo punto sono risultati 
utili i calcoli teorici di John S. Lewis, del 
Massachusetts Institute of Technology. 
Lewis è partito dall'ipotesi che l'atmo- 
sfera di Giove abbia la stessa composi- 
zione di quella del Sole negli intervalli di 
temperatura e pressione osservati sul pia- 
neta, e che tutti i suoi costituenti siano in 
equilibrio chimico. Quindi ha calcolato 
le quantità di materia solida e liquida 
nell'atmosfera in funzione della quota al 
di sopra di una superficie di riferimento 
arbitraria. I suoi calcoli mostrano che le 
nubi più basse e più spesse sono di acqua 
condensata, poiché nell'atmosfera vi è 
abbondanza sìa d'idrogeno sia di ossige- 
no. Al di sopra di queste vi sono nubi di 
idrosolfuro di ammonio (NH*SH) t sovra- 
state a loro volta da nubi di ammoniaca 



pura (NHj). Il livello di ogni nube dipen- 
de dalla tensione di vapore della fase che 
la compone, che varia fortemente con la 
temperatura. Le sostanze meno volatili, 
come l'acqua, condensano a temperature 
superiori {cioè a quote inferiori) di quelle 
più volatiti come l'ammoniaca. La ten- 
sione di vapore dell'acqua, relativamente 
bassa alle temperature caratteristiche del- 
la sommità delle nubi di Giove, spiega 
anche perché il vapore acqueo vi sìa sta- 
to scoperto solo da poco tempo: per 
spettroscopia l'acqua non può venire de- 
terminata se non è sotto forma di vapo- 
re. Nel 1974 Harold P. Larson e i suoi 
collaboratori hanno scoperto l'acqua su 
Giove per la prima volta, osservando le 
radiazioni provenienti dalle molecole di 
acqua dei livelli più profondi che passa- 
vano attraverso i fori degli strati di nubi 
superiori. 

Il modello di Lewis, secondo il quale a 
ogni livello le sostanze sono in equilibrio 



==** 



MW & o o o o o O o ooo<à^r <S^J^ 



J&OOO oo o o o oo o ooow 



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*%& ^ Q ^ O O Q_0 O -1 O O G O & & £& 



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Kulrii>urj/i[jnc della turbolenza dell'atmosfera Rimana in una simu- 
lazione al calcolatore preparata da Carelli P. Williams della Princeton 
t' ni %ersil>. il quale è ricorso a un modello che cerca di spiegare le 
bande est -ovest di Giove. Le linee del disegno sono linee di flusso, 
lungo le quali si hanno correnti atmosferiche; dove le linee sono più 
ravvicinate il flusso è più veloce. La direzione relativa del flusso è in* 



dicata nel grafico a destra della figura: dove la curva e a destra delta 
linea verticali' complessivamente il flusso è diretto verso est, cioè è 
più veloce delia velocità media dì rotazione del pianeta. Dove la curva 
e a sinistra della linea verticale complessivamente il flusso è diretto 
verso ovest « cioè è più lento della velocita media di rotazione. La velo- 
cita relativa del flusso è data dall'ampiezza della deviazione della curva. 



30 



31 






chimico, non spiega ì colori delle nubi. 
Nel suo modello le particelle di nubi so- 
no bianche, mentre le nubi di Giove han- 
no delicate sfumature di rosso, marrone, 
bianco e blu. Tuttavia, tenendo corno 
che La convezione porta in alto materiale 
dei livelli più' bassi e che nella parte su- 
periore del r atmosfera i raggi ultraviolet- 
ti del Sole favoriscono le reazioni chimi- 
che, non è sorprendente che parti dell'at- 
mosfera di Giove si allontanino local- 
mente dall'equilibrio chimico, Bastano 
piccole quantità di materiali coloranti a 
spiegare le osservazioni, e un'atmosfera 
con la stessa composizione di quella del 
Sole conterrebbe tutti gli elementi neces- 
sari in una vasta gamma di composti. In 
generale si pensa che le nubi siano so- 
stanzialmente come Lewis le ha previste 
e che ì colori si possono spiegare con 
raggiunta di piccole quantità di zolfo, 
fosforo e molecole organiche complesse. 
I dati sulla struttura orizzontale e sui 
moti dell'atmosfera di Giove si hanno 
principalmente dalle fotografie alle lun- 
ghezze d'onda del visibile. Questi dati 
comprendono le osservazioni a terra ese- 
guite a partire dalla fine del XIX secolo e 
Te immagini ad alta risoluzione riprese 
dalle sonde spaziali Pioneer IO e Pioneer 
il. Le osservazioni a terra prima del 1955 
sono state riassunte da B.M. Peek nel 
classico lavoro The Planet Jupiier. Dal- 
l'esame di queste osservazioni è chiaro 
che la maggior parte delle proprietà del- 
l'atmosfera gioviana esiste da decenni o 
più, e una longevità simile per le struttu- 
re delle nubi, rispetto agli standard terre- 
stri, è notevolissima. Sulla Terra le strut- 
ture di nubi durano raramente più di una 
o due settimane, a meno che non stano 
connesse direttamente alla topografia 
sottostante, per esempio a catene di mon- 
tagne; su Giove, per quanto se ne sa, la 
topografia non esiste. Per questo sarebbe 
assai interessante sapere perché la strut- 
tura delle nubi di Giove si conserva per 
tanto tempo. 



Lo caratteristiche dell'atmosfera di Giove, fo- 
tografale all'infrarosso {in alto) dalla sonda 
spaziale Pioneer IO, rivelano la distribuzione 
della temperatura alla sommità delle nubi. Le 
parti e bla re sono regioni a bassa emissione in- 
frarossa e indicano nuvole alle e spesse. Le 
parti scure sono regioni a elevala emissione 
infrarossa e indicano dei fori nello strato su- 
pcriore di nubi, che scoprono gli strati più 
caldi sottostanti. Quando la fotografia all'in* 
frarosso viene confrontata con una fotografìa 
falla alla luce visibile [in bassa} appare evi- 
dente che Le aree coperte di nubi corrispondo- 
no alle «zone» chiare e quelle prive di nuvole 
corrispondono alle « fasce » scure. Poiché di 
solito nell'atmosfera le nubi sì formano nelle 
correnti calde ascensionali e si disperdono nel- 
le correnti fredde discendenti, le zone devono 
corrispondere a regioni di gas ascensionali 
caldi e le fasce a gas più freddi discendenti. In 
basso a sinistra nelle due immagini si vede la 
grande macchia rossa; è un'area a emissione 
infrarossa particolarmente debole e assomiglia 
più alle zone che alle fasce. Nell'immagine 
alla luce visìbile la forma a pettine che si vede 
in allo a sinistra, le due macchie nere quadrate 
nei pressi della grande macchia rossa e la di- 
scontinuità apparente che attraversa la folo- 
grafia sono dovute alla tecnica di ripresa. 



Forse la spiegazione più semplice e più 
diretta della longevità delle nubi di Gio- 
ve è quella avanzata da , Peter J. Gie- 
rasch, che ora sta alla Cornell University, 
e da Richard M, Goody della Harvard 
University. Gierasch e Goody sottolinea- 
no che su Giove la costante di tempo 
d'irraggiamento è estremamente lunga. 
La costante dì tempo d 'irraggiamento è 
il tempo necessario a una massa d'acqua 
per riscaldarsi o raffreddarsi per irrag- 
giamento nella parte infrarossa dello 
spettro; sulla Terra essa vale qualche set- 
timana, cioè ha una durata paragonabile 
alla vita media delle strutture dì flusso 
dell'atmosfera. Su Giove la costante di 
tempo d Irraggiamento è superiore a un 
anno. Questa differenza è una conse- 
guenza delle temperature più basse del- 
l'atmosfera di Giove, della quantità di 
calore minore che il pianeta riceve dal 
Sole (solo il 4 per cento di quello ricevu- 
to dalla Terra) e del fatto che i gas del- 
l'atmosfera gioviana emettono meno ra- 
diazioni infrarosse dei gas dell'atmosfera 
terrestre. Per di più se le masse di gas 
nell'atmosfera di Giove possono conser- 
vare calore a bassa quota, fino alla base 
delle nubi, allora la costante di tempo di 
irraggiamento può essere anche più lun- 
ga di un anno a causa del grande volume 
di gas che va riscaldato o raffreddato. 
Quindi su Giove la lunga persistenza dei 
fenomeni atmosferici potrebbe essere do- 
vuta in larga parte alla lentezza con cui 
differenze di temperatura vengono an- 
nullate per irraggiamento. 

Un altro aspetto singolare delle pro- 
prietà delle nubi gioviane è la loro orga- 
nizzazione e la loro regolarità spaziale. 
In qualsiasi momento ci sono di solito 
almeno dieci bande, fasce e zone, che 
circondano il pianeta su linee di latitudi- 
ne costante. Le fotografie dell'atmosfera 
terrestre fatte dai satelliti non mostrano 
un grado così elevato di simmetria ri- 
spetto all'asse di rotazione. 

Le fasce sono marroni o marroni con 
sfumature blu, mentre le zone sono bian- 
che o bianche con sfumature rosse. Le 
parti più rosse, come la grande macchia 
rossa e le macchie più piccole, in genere 
sono situate nelle zone. Le osservazioni 
all'infrarosso, che permettono di misu- 
rare la temperatura alla sommità delle 
nubi, dicono che c'è una differenza fon- 
damentale fra le zone e le macchie rosse 
da un lato e le fasce dall'altro. 

Su Giove, come sulla Terra, le diffe- 
renze di temperatura più spinte entro 
una certa area si trovano fra uno strato e 
l'altro dell'atmosfera. Poiché in generale 
la temperatura diminuisce con l'altitudi- 
ne, una temperatura alta all'infrarosso 
indica che ad altitudini elevate si hanno 
solo nubi sottili e trasparenti o che non 
se ne hanno affatto, mentre una tempe- 
ratura bassa all'infrarosso indica che alle 
alte quote si hanno nuvole relativamente 
spesse e opache. Sulla Terra i satelliti 
meteorologici utilizzano questo principio 
per fotografare le nubi sia di giorno sìa 
dì notte con le radiazioni infrarosse: una 
tempesta convettiva, come un ciclone, 
appare sempre come una zona a bassa 




nord 



EQUATORE 



Profilo trasversale dell 'atmosfera dì Giove, fallo lungo un meridiano, per confrontare le regioni 
di alta e di bassa pressione. La pressione atmosferica aumenta verso il centro del pianeta, A 
grande profondità, dove l'atmosfera ruota uniformemente col periodo medio di rotazione del 
pianeta, le «superficie atmosferiche a pressione costante Un colore più intenso) sono orizzontali. 
A profondità intermedie le maggiori temperature delle zone fanno rigonfiare verso l'alto le 
su per Ori a pressione costante (in colore più chiaro} creando pressioni più elevate nelle zone (a 
destra) che nelle fasce (a sinistra). Le forze di Coriolis generate dalla rotazione del pianeta spin- 
gono l'atmosfera a muoversi in direzione ortogonale al disegno, verso l'osservatore (verso ovest) 
ai bordi delle zone dal lato dell'equatore, e in direzione contraria {verso est) ai bordi delle zone dal 
hi i ii dei poti. La risalita dei gas caldi in corrispondenza delle zone insieme alla discesa dei gas fred- 
di in corrispondenza delle fasce produce nell'atmosfera una circolazione secondaria, più lenta. 



temperatura infrarossa, per la vasta col- 
tre di alte nuvole che la ricopre, 

11 Pioneer IO, superando Giove, il 3 
dicembre 1973 prese due immagini all'in- 
frarosso; un anno più tardi il Pioneer II 
ne prese altre quattro. Il confronto fra 
un'immagine all'infrarosso con una si- 
mile fatta nella zona visibile dello spettro 
mostra che le zone sono aree a bassa 
temperatura infrarossa, mentre le fasce 
sono aree ad alta temperatura infraros- 
sa. La grande macchia rossa ha una tem- 
peratura infrarossa particolarmente bas- 
sa, e quindi, più che alle fasce, è simile 
alle zone. Da tutto ciò, per analogia con 
la Terra, si può ricavare che le macchie 
rosse e le zone bianche sono regioni di 
convezione attiva e di moti ascensionali 
dell'atmosfera, mentre le fasce di colore 
marrone sono regioni di dispersione dì 
nubi e di moti discendenti. 

Sebbene le osservazioni all'infrarosso 
siano di aiuto per classificare le caratte- 
ristiche dell'atmosfera di Giove, esse non 
rispondono ai principali interrogativi sui 
perché queste caratteristiche esistono. Le 
osservazioni sui moto delle nubi forni- 
scono alcuni punti chiave per rispondere 
a queste domande- Dalla Terra è possibi- 
le registrare la posizione delle macchie 
piccole rispetto alle fasce, alle zone e ad 
altre strutture importanti. Le registrazio- 
ni fotografiche della superficie di Giove 
di cui disponiamo coprono un arco di 
circa 100 anni. Le macchie più piccole 
che sì riescono a vedere dalia Terra han- 
no un diametro di circa 3000 chilometri, 
cioè circa un cinquantesimo del diametro 
di Giove e più o meno il diametro dì un 



32 



grande sistema ciclonico sulla Terra. Tali 
sistemi ciclonici sulla Terra si muovono 
secondo la direzione media del vento; 
per esempio nell'America settentrionale 
si muovono da ovest a est. A volle, tut- 
tavia, man mano che un sistema cicloni* 
co si evolve e si attenua, il suo moto 
apparente rispetto alla direzione media 
del vento può cambiare, Di conseguenza 
il ricorso alle caratteristiche delle nubi 
per ricavare ì venti su larga scala pone 
alcuni problemi. 

Le macchie minori, osservate per qual- 
che settimana, si muovono sempre in 
senso antiorario attorno alla grande mac- 
chia rossa; attorno a essa, quindi, pro- 
babilmente i venti spirano sempre in 
quella direzione. Inoltre La direzione e 
T intensità dei venti sono simili a quelle 
osservate decenni addietro nella stessa 
-zona, Altrove su Giove ì venti soffiano 
secondo linee di latitudine costante; le 
massime velocità relative si trovano ai 
confini fra le fasce e le zone. 

Come sulla Terra, le velocità relative 
sono piccole rispetto alla velocità media 
dell'atmosfera associata alla rotazione 
del pianeta. Si può determinare la rota- 
zione dell'interno di Giove in base alla 
rotazione del campo magnetico del pia- 
neta, che ha un periodo di nove ore, 55 
minuti e 29,7 secondi. Lo stesso periodo 
di rotazione è tipico per le nubi dì Giove 
alle medie latitudini, sebbene piccole zo- 
ne scartino fino a cinque minuti da! pe- 
riodo medio di rotazione a causa dei 
venti al bordi fra fasce e zone. In un 
intervallo di latitudini che si estende per 
circa otto gradi ai due lati dell'equatore 



33 




L'atmosfera terrestre a scala globale è barodina « cioè si hanno grandi differenze orizzontali di 
temperatura fra l'equatore e i poli. A causa di queste differenze in ambedue gli emisferi si forma 
nell'atmosfera un'onda longitudinale che si sposta da ovest (a sinistra) a est (a destra) e porta 
calore dall'equatore ai poli. Gli avvallamenti (escursioni verso l'equatore) dell'onda sono associa- 
ti a regioni di bassa pressione (B) e le creste (escursioni verso i polì) sono associate a regioni di 
alta pressione (A). La circolazione dell'aria attorno alle regioni di bassa pressione è ciclonica. 




L'atmosfera di Giove a scala globale è barotropa, cioè si hanno piccolissime differenze orizzon- 
tali di temperatura fra l'equatore e i poli. Le regioni di alta (.1 1 e bassa pressione (B) sono 
strutture lineari allineate ai paralleli: le zone Un bianco) e le fasce Un grigio}* Ài limiti fra le 
bande si hanno venti ad alta velocità; dove il moto relativo del vento è verso ovest {verso sini- 
stra) i venti sono detti retrogradi. In ambedue gli emisferi, al di sopra di una latitudine di 45 
gradi, la struttura a bande scompare (si veda Vìilustrazione a pagina 40). L'ovale colorato 
nell'emisfero meridionale è la grande macchia rossa, che è circondata da venti anticiclonici. 

34 



gio viano, il periodo di rotazione del! 1 at- 
mosfera è più breve di circa cinque mi- 
nuti del periodo del campo magnetico. 
Lontano dalle zone equatoriali si ha il 
periodo di rotazione più breve, che è 
associato al lìmite fra una cospicua fa* 
scia e una zona nell'emisfero settentrio- 
nale. Là i venti compiono un giro del 
pianeta in 9 ore e 49 minuti, e a quel 
limite la velocità delle nubi rispetto al- 
l'interno rotante di Giove è di circa 120 
metri al secondo, ossia più di 450 chilo- 
metri all'ora. 

Quando i moti atmosferici persistono 
per intervalli lunghi rispetto al pe- 
riodo di rotazione di un pianeta, la forza 
di Coriolis svolge un ruolo importante 
nella dinamica dell'atmosfera. Nell'emi- 
sfero settentrionale, su Giove come sulla 
Terra, la forza dì Coriolis devia il moto 
da ovest verso est. Per bilanciare questa 
forza dev'esserci a est un'altra forza, co- 
stituita da una zona di alta pressione. 
Per questo sulla Terra neiremisfero set- 
tentrionale i venti soffiano in senso ami- 
orario, formando dei cicloni, attorno ai 
centri di bassa pressione, e girano in 
senso orario attorno ai centri di alta 
pressione, formando degli anticicloni. 
Nell'emisfero meridionale le cose vanno 
al contrario. Per venti che si muovono in 
zone a latitudine costante (come ai limiti 
fra le fasce e le zone di Giove) gli alti e i 
bassi dì pressione sì hanno fra le regioni 
a massima e minima velocità. 

Su Giove le zone e la grande macchia 
rossa sono regioni ad alta pressione (an- 
ticicloniche), mentre le fasce sono regio- 
ni a bassa pressione (cicloniche). Ciò è 
stato messo in evidenza per la prima vol- 
ta nel 1951 da Seymour L. Hess della 
Florida State University e da Hans A. 
Panofsky della New York University. 
Sembra quindi che le zone e La grande 
macchia rossa siano fondamentalmente 
diverse dalle tempeste terrestri, che di 
solilo al livello del mare sono cicloniche. 
Tuttavia questa differenza non è profon- 
da come potrebbe sembrare. Poiché le 
nubi tendono a formarsi nell'aria che 
risale, e poiché Paria che risale in genere 
è calda, è ragionevole supporre che le 
zone e la grande macchia rossa sono più 
calde di ciò che le circonda a qualsiasi 
livello entro le nubi. In questo senso so- 
migliano, sulla Terra, ai cicloni tropicali 
e ai cicloni extratropicali in uno stato 
avanzato del loro sviluppo, la maggior 
parte dei quali è appunto calda. La so- 
miglianza è significativa perché sulla Ter- 
ra le masse d'aria calda tendono ad avere 
centri di alta pressione e una circolazione 
anticiclonica alle alte quote, che sono 
appunto le quote a cui si riferiscono le 
osservazioni su Giove. 

La ragione per cui tati tempeste sono, a 
quote molto alte, anticicloniche è che 
la caduta di pressione con l'altitudine in 
una massa di aria calda è minore della 
caduta di pressione in una massa di aria 
fredda. Questa è una conseguenza del 
rapporto idrostatico fra La variazione di 
pressione e la densità: se la densità è 
bassa e se l'aria è calda, anche la dimi- 



nuzione di pressione con l'altitudine sarà 
bassa. Quindi una massa di aria calda, 
all'aumentare dell'altitudine, tende a di- 
ventare una zona di alta pressione (anti- 
ciclonica). Se a bassa quota la pressione 
è molto più bassa che nelle zone circo- 
stanti, come in una tempesta ciclonica 
terrestre, la transizione a circolazione an- 
ticiclonica può non aver luogo. Gli ura- 
gani terrestri, in generale, sono fortemen- 
te ciclonici a livello del mare e debol- 
mente anticiclonici alle alte quote. In 
altri termini la circolazione anticiclonica 
che si osserva su Giove nelle zone e nella 
grande macchia rossa è coerente coi dati 
delle osservazioni air infrarosso, secondo 
i quali si tratta di centri caldi di moti 
ascensionali. Perciò, in un ceno senso, 
sono simili alle tempeste convettive calde 
che si hanno sulla Terra. 

Però, come abbiamo visto, fra la Ter- 
ra e Giove c'è una differenza fondamen- 
tale dovuta al fatto che l'atmosfera ter- 
restre è limitata in basso da una superfi- 
cie relativamente indeformabile di acqua 
e rocce. Questa superficie può fornire e 
sopportare grandi differenze dì pressione 
atmosferica fra zone diverse al livello del 
mare, e cosi possono aversi forti venti in 
prossimità del suolo. Sappiamo poco sul- 
l'atmosfera dì Giove al di sotto delle nu- 
bi visibili, ma è ragionevole ammettere 
che sotto un certo livello essa ruoti uni- 
formemente con lo stesso perìodo di ro- 
tazione del campo magnetico. Tutto ciò 
è equivalente all'afférmazione che ^at- 
mosfera ha un limite inferiore fluido che 
si deforma facilmente quando vi si appli- 
ca una pressione d air alto. Questa defor- 
mazione impedisce la formazione di dif- 
ferenze di pressione ai livelli inferiori e 
quindi mantiene debole La circolazione a 
quei livelli. Così, mentre sulla Terra una 
massa di aria calda alle basse quote può 
avere una circolazione ciclonica o antici- 
clonica, su Giove la circolazione a bassa 
quota dev'essere nulla. In questo senso 
la circolazione su Giove può somigliare 
di più alle correnti negli oceani che alle 
correnti nell'atmosfera terrestre. Le cor- 
renti oceaniche tendono a indebolirsi a 
grande profondità e sono sempre antici- 
cloniche presso la superficie, se l'acqua 
fra i due livelli è calda. 

Vi sono stati diversi tentativi dì porre 
questi argomenti su basi quantitative. Nel 
1969 Jeffrey Cuzzi, allora al California 
Instituteof Technology, e io decidemmo 
di studiare le strutture dei venti zonati 
osservati su Giove. Per prima cosa risco- 
primmo il rapporto qualitativo discusso 
da Hess e Panofsky net 1951. Facemmo 
quindi una stima grossolana della diffe- 
renza dì temperatura fra zone e fasce 
necessaria a spiegare i venti che sì osser- 
vano. In effetti la quantità da determina- 
re non è la sola differenza di temperatu- 
ra, ma il prodotto fra la differenza me- 
dia di temperatura e la profondità alla 
quale si estende tale differenza. Se i moti 
zonali osservati si riferiscono alla som- 
mità delle nubi di ammoniaca, nel mo- 
dello di Lewis deiratmosfera gioviana, 
allora la profondità va misurata verso il 
basso a partire da tale livello. 

Il prodotto della differenza di tempe- 




r orografìa di una macchia rossa più piccola, simile alla grande macchia rossa, ratta da Pioneer 
10, Queste macchie, che durano circa due anni, non sono rare e di solito si trovano nelle zone. 
La loro somiglianza alla grande macchia rossa fa pensare che tali strutture siano fenomeni 
meteorologie! persistenti e che non siano Legati a nessuna struttura solida dell'interno di Giove. 




La grande macchia rossa, qui in una fotografia del Pioneer lì. oggi è ritenuta simile a una 
tempesta tropicale terrestre. Il Musso osservato nell'atmosfera attorno alla macchia e nella zona 
è anticiclonico, e ciò significa che la pressione nella macchia è alla. Anche in un ciclone tropica- 
le terrestre il flusso alla sua sommità è anticiclonico* cioè alle alte quote si ha una zona antici- 
clonica. La grande macchia rossa è una caratteristica della superficie di Giove da circa tre secoli. 
1 modelli idrodinamici della macchia indicano che, in assenza di dissipazione di energia, tale 
struttura in linea di principio potrebbe durare per sempre. Anche una piccola dissipazione di 
energia non avrebbe grande effetto, perché su Giove l'energia da dissipare potrebbe derivare 
completa mente da Ical ore latente ceduto dal gas ascendente nel la zona, che condensa e forma te nubi. 

33 



® 



a 
oc 
o 




D 

ce 
O 

z 




EST- 



II modello al calco la lo re della grande macchia rossa {in alto) dell'atmosfera dt Giove riproduce 
dì\ erse si roti are osservate del flusso atmosferico. Esso mostra i venti in senso antiorario attorno 
alla macchia e la direzione normale del flusso est-ovest a nord e a sud della macchia. Mostra 
aneli e le estremità a punta dei bordi orientali e occidentali della macchia. Una variazione del 
tondello lìti basso} indica in che modo le macchie scure più piccole, che talvolta si avvicinano 
alla grande macchia rossa, possano a volle cambiare improvvisamente di latitudine e cominciare 
a retrocedere, spinte alTindietro da una corrente di gas. In ambedue le versioni del modello la 
scala orizzontale del diagramma è siala compressa di un fattore tre rispetto alta scala verticale. 



raiura per la profondità, sulla base dei 
venti osservati su Giove, è circa 150. In 
altri termini la profondità reale oltre la 
quale le differenze di temperatura fra 
zone e fasce diventa apprezzabile è sco- 
nosciuta, ma se questa profondità fosse 
dì 15, I50o 1500 chilometri la differenza 
di temperatura a quella profondità sa- 
rebbe rispettivamente di 10, 1 o 0,1 gradi 
centigradi, per poter spiegare i venti che 
si osservano. La grandezza della di f fe- 
re nza di temperatura dipende dalle sor- 
genti e dai pozzi di calore che mantengo- 
no attiva la circolazione atmosferica. La 
profondità critica è lo spessore della re- 
gione che fa da sorgente e pozzo di calo- 
re. Per discutere ulteriormente questo 
problema è necessario considerare il mec- 
canismo sorgente- pozzo. 

Nel 1971 Cierasch, che allora era alla 
Florida State University, e Albert I. Bar- 
ritoti hanno avanzato L'ipotesi che l'at- 
mosfera di Giove sia simile all'atmosfera 
della Terra al di sopra dei tropici, dove il 
Sole riscalda la superficie dell'oceano 
causando l'evaporazione dell'acqua. L'a- 
ria umida vicino alla superficie diventa 
instabile e dà inizio alla convezione e alla 
formazione di nubi cumuliformi. Sui tro- 
pici si hanno moti organizzati e su larga 
scala, perché la convezione dei cumuli su 
piccola scala, che è il mezzo principale 
con cui si trasferisce calore dall'oceano 
all'atmosfera, varia a seconda dei moli 
su larga scala. Ai tropici le massime dif- 
ferenze orizzontali di temperatura fra un 
posto e l'altro si hanno fra l'aria che è 
stata riscaldata per condensazione e quel- 



la che non lo è stata. Secondo Gierasch e 
Barcilon la differenza di temperatura fra 
le zone e le fasce di Giove, come quelle 
che si hanno sui tropici terrestri, è dovu- 
ta alla liberazione di calore latente. 

Supponiamo che il modello di Lewis 
per le nubi si adatti alle zone gioviane, e 
che le fasce siano secche, cioè prive di 
vapori condensabili; in questo caso le 
zone hanno una temperatura superiore 
dì circa due gradi a quella delle fasce, a 
qualsiasi livello superiore a quello in cui 
condensa il vapore acqueo. Di conse : 
guenza, una differenza di temperatura di 
circa due gradi sì estende per una pro- 
fondità di circa 75 chilometri, cioè per 
tutto lo spessore del sistema di nubi, 
inoltre il prodotto della differenza dì tem- 
peratura per la profondità è in accordo 
con il valore di 150 dedotto dalle osser- 
vazioni del vento. 

Gierasch e Barcilon non hanno spiega- 
to il fatto che i vapori condensabili re- 
stano concentrati nelle zone. Sulla Terra, 
in un ciclone tropicale, i venti ciclonici 
esercitano uno stress ciclonico (forza per 
unità di area) sul la superficie oceanica. 
Questo stress, interagendo con la forza 
di Coriolis, spinge l'aria verso il centro a 
bassa pressione dei ciclone, appena al di 
sopra della superficie, mentre l'acqua, 
appena .sotto la superficie, viene spinta 
in fuori. Sulla Terra il flusso nell'oceano 
si può trascurare, ma il convergere di 
aria umida verso il centro del ciclone ri- 
fornisce il ciclone di cJ tore latente man- 
tenendolo così in circolazione. 

Su Giove le regioni nuvolose sono an- 



ticicloniche e ruotano in senso opposto a 
quello delle regioni nuvolose terrestri. 
Non c'è oceano; il fluido inferiore è 
semplicemente l'atmosfera sottostante le 
nubi, Uno stress anticiclonico, esercitato 
dall'alto sui fluido inferiore, spinge que- 
sto fluido verso l'interno e L'atmosfera 
superiore verso resterno. In questo caso, 
quello che ci interessa è il fluido inferiore 
che converge verso il centro. La con ver* 
genza avviene sotto la base delle nubi, ai 
livelli in cui le precipitazioni evaporano; 
è questa convergenza che rifornisce con- 
tinuamente le zone di vapori condensabi- 
li. Questo processo è uno dei possibili 
meccanismi per spiegare come si conser- 
va la differenza di temperatura fra zone 
e fasce. 

1^ on ho detto nulla, finora, sulla cir- 
*■ colazione dell'atmosfera ai le medie 
latitudini su Giove e sulla Terra. Sulla 
Terra la sorgente principale di energia 
per l'atmosfera alle medie latitudini è il 
gradiente termico orizzontale, che ha o- 
rigine dal fatto che il Sole riscalda l'e- 
quatore molto più dei poli. Un'atmosfe- 
ra con tali differenze di temperatura ad 
altitudine costante viene detta baroclina, 
e in genere è instabile. L'instabilità si 
manifesta nel flusso principale dell'atmo- 
sfera verso est come una struttura a onda 
dove ogni avvallamento rappresenta il 
punto in cui l'aria compie la massima 
escursione verso l'equatore e ciascuna 
cresta il punto in cui compie la massima 
escursione verso i poli. L'onda porta ca- 
lore sia nella parte superiore dell'atmo- 
sfera sia verso i poli. 11 flusso di calore 
verso l'alto, in cui l'aria calda risale e 
quella fredda discende, tende a abbassa- 
re il centro di massa del Paimos fera, per- 
ché un certo volume di aria fredda è più 
denso e quindi più pesante dello stesso 
volume di aria calda; il trasporto di calo- 
re lìbera, dunque, energia potenziale gra- 
vitazionale. Gli avvallamenti e le creste 
dell'onda baroclina sono rispettivamente 
i cicloni e gli anticicloni che caratterizza- 
no il clima terrestre alle medie latitudini. 

Un problema importante è se queste 
onde barocline siano presenti su Giove. 
Se il flusso di calore dall'interno di Gio- 
ve fosse uniforme dall'equatore ai poli, 
il calore totale ceduto all'atmosfera sta 
dall'interno del pianeta sia dal Sole sa- 
rebbe all*equatore sempre il doppio che 
ai poli, perché queste due regioni vengo- 
no riscaldate dal Sole in modo diverso. 
Questa differenza potrebbe causare una 
forte instabilità baroclina, se alle medie 
latitudini Giove fosse simile alla Terra. 

Tuttavia il fatto che Giove si presenta 
a bande e simmetrico rispetto a un asse 
indica che a quelle latitudini Giove deve 
essere notevolmente diverso dalla Terra. 
Un aspetto essenziale dell'instabilità ba- 
roclina è il mescolamento fra regioni a 
diversa latitudine, e sebbene su Giove vi 
siano alcuni disturbi che somigliano alle 
onde barocline, essi sono confinati in 
sottili bande di latitudine e non sembra- 
no dare luogo a mescolamenti su vasta 
scala fra una banda e l'altra. Inoltre se il 
trasporto di calore verso i poli per insta- 
bilità baroclina fosse l'unico modo di 



STRUTTURA 


MISURE 

ALL INFRAROSSO 


ALTEZZA 

DELLE 
NUBI 


CIRCOLAZIONE 


PRESSONE 


TEMPE- 
RATURA 


VELOCITA' 
VERTICALE 


NUBI 
PREVISTE 


COLORE 






FASCIA 


CALDA 


PICCOLA 


CICLONICA 


BASSA 


BASSA 


INGIÙ 


BASSE. 
SOTTILI 


SCURO 


ZONA 


FREDDA 


GRANDE 


ANTTClCLONtCA 


ALTA 


ALTA 


IN SU 


ALTE r 
SPESSE 


CHIARO 


GRANDE MACCHIA 
ROSSA 


FREDDA 


GRANDE 


ANTICICLONICA 


ALTA 


ALTA 


INSÙ 


ALTE, 
SPESSE 


ARAN- 
CIONE 



Riassunto delle .strutturi* caratteristiche dell "atmosfera di Giove, La 
grande macchia rossa è simile alte zone da tutti i punti di vista impor- 
rami salva la forma» mentre da tutti i punii di vista le fasce sono il 



contrario delle zone. Nel complesso questi dati fanno pensare che 
queste strutture non siano fenomeni isolali e distinti, ma debbano esse- 
re collegati assieme come parti di una struttura atmosferica globale. 



compensare il calore in più che giunge 
all'equatore di Giove, fra l'equatore e i 
poli si svilupperebbe una notevole diffe- 
renza di temperatura, 

Peter H. Stone, del MIT, ha una teo- 
ria generale sull'instabilità baroclina in 
qualsiasi atmosfera planetaria. Per Gio- 
ve egli ha valutato che se il calore solare 
fosse trasportato ai poli solo dall'insta- 
bilità baroclina l'equatore avrebbe una 
temperatura di 30 gradi superiore a quel- 
la dei poli. Recentemente la sua stima è 
stata controllata» quando ì rivelatori al- 
l'infrarosso del Pioneer 10 e del Pioneer 
Il hanno eseguito le prime riuscite misu- 
razioni di calore ai poli di Giove, 

Queste misure dimostrano che il calore 
emesso dai poli e dal! 1 equatore di Giove 
è circa lo stesso, e questo implica che la 
temperatura dei poli sia più o meno u- 
guale a quella dell'equatore agli stessi 
livelli di pressione nell'atmosfera. In ef- 
fetti la differenza di temperatura osser- 
vata non è superiore a tre gradi e ciò 
comporta che Giove, alle medie latitudi- 
ni, sia diverso dalla Terra e che nell'at- 
mosfera di Giove il trasporto di calore 
per instabilità baroclina sia insignificante. 

Se le cose stanno in questi termini, la 
differenza di calore solare assorbito da 
Giove alPequatore e ai poli dev'essere 
compensata da altro calore proveniente 
dall'interno del pianeta. Recentemente 
ho proposto un meccanismo in cui questa 
differenza potrebbe venire annullata da 
moti convellivi nell'interno del pianeta. 
Questo meccanismo funzionerebbe da 
termostato: quando il valore effettivo del 
gradiente termico nell'atmosfera è uguale 
al gradiente adiabatico, il flusso di calore 
per convezione è nullo, mentre quando 
la diminuzione di temperatura con l'alti- 
tudine è un po' più rapida di quella adia- 
batica il flusso di calore per convezione è 
grande. Cosi un piccolo raffreddamento 
dei poli rispetto all'equatore, dovuto alla 
differenza di energia solare assorbita, 
provoca ai poli un grande aumento del 
flusso di calore per convezione rispetto a 
quello dell'equatore. Il termostato con- 
vettivo assicura che tutto Giove sia quasi 
perfettamente adiabatico, e quindi i rap* 
porti fra pressione e temperatura all'e- 
quatore e ai poli devono essere quasi 
uguali. La possibilità che su Giove vi sia 
un flusso "di calore per convezione mag- 
giore ai poli sembra confermata dal fat- 
to che a circa 45 gradi di latitudine nord 
compaiono strutture simili a quelle che 
dà la convezione. 

La sorgente interna di calore potrebbe 
anche fornire energia alla circolazione 



che si osserva nelle fasce e nelle 2one di 
Giove, ed è stato ipotizzato che fasce e 
zone siano soltanto le manifestazioni su- 
perficiali di gigantesche celle convettive, 
che potrebbero avere una profondità del- 
lo stesso ordine della larghezza e che 
quindi potrebbero spingersi giù verso il 
centro del pianeta per una frazione con- 
siderevole del suo raggio, 

f^ ontro l'ipotesi delle celle di convezio- 
^ ne ci sono diversi argomenti, ma 
nessuno è conclusivo. Primo, se l'atmo- 
sfera di Giove è davvero analoga all'at- 
mosfera tropicale terrestre non ha biso- 
gno di una circolazione profonda su lar- 
ga scala sotto le nubi. 1 vapori condensa- 
bili potrebbero essere concentrati nelle 
zone e dispersi nelle fasce in uno strato 
superficiale proprio sotto la base delle 
nubi; le differenze di temperatura che 
hanno origine dalla condensazione nelle 
nubi sembrano in grado di spiegare pie- 
namente i venti osservati. Quindi le fasce 
e le zone potrebbero essere fenomeni 
superficiali, che si estenderebbero solo 
un poco più in basso della base delle nu- 
bi più profonde. 

Secondo, se le fasce e le zone fossero 
associate a una convezione termica inter- 
na a grande scala, le emissioni infrarosse 
di Giove dovrebbero essere più intense 
nelle zone, perché le zone sono sede dei 
moti ascensionali. Ora è vero che noi 
possiamo osservare il flusso di calore 
solo nella parte superiore dell'atmosfera, 
ma in ogni caso le zone non sembrano le 
regioni principali di emissione infraros- 
sa. Sono invece le fasce che emettono la 
maggior parte dell'energia infrarossa, e 
che anche assorbono la maggior parte 
dell'energia solare. D'altra parte nelle 
zone e nelle fasce il flusso netto, cioè la 
differenza fra l'energia emessa e quella 
assorbita, è circa lo stesso. Questa ugua- 
glianza significa che il flusso dì calore 
interno alla base delle nubi è lo stesso 
nelle fasce e nelle zone, dato che entro le 
nubi non si ha trasporto di calore in 
senso longitudinale. Il punto è che i dati 
sul flusso radiati vo non forniscono pro- 
ve a sostegno dell'ipotesi delle celle con- 
vettive, anche se non la escludono. 

Terzo, r ipotesi delle celle convettive 
presenta una parte più che abbondante 
dì difficoltà teoriche. Tipicamente la con- 
vezione è un fenomeno a piccola scala. 
Nel Sole o nell'atmosfera terrestre l'e- 
stensione longitudinale delle principali 
celle convettive è circa uguale alla distan- 
za verticale in cui si ha un aumento di 
densità e di pressione di un fattore e t 



pari a 2,718. Su Giove l'altezza delia 
scala è qualche decina di chilometri, men- 
tre le fasce e le zone si estendono per 
circa 10 000 chilometri. Inoltre le strut- 
ture convettive di un corpo in rotazione 
tendono a svilupparsi in senso longitudi- 
nale, esattamente II contrario di quello 
che succede su Giove. Questi ragiona- 
menti fanno pensare che il modo princi- 
pale in cui il calore viene scambiato sia 
la convezione su piccola scala. 

Tuttavia ci sono altri modi in cui le fa- 
sce e le zone di Giove potrebbero 
ar parte di una profonda struttura con- 
nettiva, estesa per una frazione significa- 
tiva del raggio del pianeta. Diversi studi, 
teorici e di Laboratorio, hanno dimostra- 
lo che in una sfera rotante la convezione 
prende la forma di colonne lunghe e sot- 
tili, i cui assi sono paralleli all'asse di ro- 
tazione; le estremità di ciascuna colonna 
intersecano la superficie visibile della sfe- 
ra a latitudini opposte negli emisferi set- 
tentrionale e meridionale, Friedrich H. 
Busse, della Università della California a 
Los Angeles, ha avanzato l'ipotesi che le 
fasce e le zone siano le manifestazioni 
superficiali di queste colonne lunghe e 
sottili; l'esistenza di queste ultime, però, 
è stata finora dimostrata solo in esperi- 
menti di laboratorio eseguiti con liquidi 
relativamente viscosi, e quindi estendere 
tale ipotesi fino a comprendere gas com- 
primibili su una sfera rotante delle di- 
mensioni di Giove è discutibile. 

Sia che le fasce e le zone siano feno- 
meni superficiali limitati agli strati di 
nubi, sìa che facciano parte di un pro- 
fondo sistema convettivo, non si ha an- 
cora una spiegazione soddisfacente del 
perché esse sono orientate in direzione 
est -ovest. Anche l'atmosfera tropicale 
terrestre è a bande, con una zona nuvo- 
losa attorno all'equatore e due fasce lim- 
pide verso nord e verso sud. La zona di 
convergenza equatoriale intertropicale è 
una banda di nubi cumuliformi e di ci- 
cloni che di solito occupa una striscia fra 
cinque e 10 gradi a nord dell'equatore; 
complessivamente è una regione di risali* 
ta dell'atmosfera, anche se il calore viene 
trasportato verso l'alto fino alla base 
della stratosfera da un sistema di corren- 
ti sia ascendenti sia discendenti. Ai due 
lati della zona di convergenza intertropi- 
cale si hanno due fasce secche, che si 
estendono lino a 30 gradi a nord e a sud 
dell'equatore, in cui i movimenti sono 
quasi sempre discendenti; i moti ascen- 
denti sono ristretti in un sottile strato 
prossimo al suolo. 



36 



37 



Di solito il cielo è sereno e il calore 
viene scambiato verticalmente soprattut- 
io per irraggiamento infrarosso. Lo spo- 
stamento a nord della zona di convergen- 
za intertropicale sembra dovuto al fatto 
che negli emisferi settentrionale e meri- 
dionale gli oceani e i continenti sono di- 
versamente distribuiti. 

La differenza fra Giove e la Terra vie- 
ne fuori a latitudini maggiori, Su Giove 
il sistema dì bande si ripete ancora pa- 
recchie volte, mentre sulla Terra viene 
cancellato dalle instabilità barocline; la 
differenza può essere dovuta all'effetto 
termostatico di una sorgente interna di 
calore di Giove. Sulla Terra le instabilità 
barocline sono Punico modo di bilancia- 
re il calore solare nell'atmosfera: all'e- 
quatore l'aria si riscalda rispetto a quella 
ai poli, si sviluppano delle instabilità e 
ben presto la circolazione alle medie lati- 
tudini è dominata dai cicloni e dagli an- 
ticicloni. Le regioni equatoriali di Giove 
si riscaldano di poco rispetto a quelle 
polari, e il flusso di calore interno si ridi- 
stribuisce in modo tale da bilanciare la 
differenza di riscaldamento solare. 

11 problema dell'Instabilità delle fasce 
e delle zone è interessante per se stesso. 
Ogni stato di equilibrio di un'atmosfera, 
salvo quello di rotazione uniforme, pos- 



siede energia cinetica e energia potenzia- 
le gravitazionale, Una perturbazione di 
piccola ampiezza può essere in grado di 
estrane parte di questa energia e crescere 
a spese dello stato fondamentale; que- 
st'ultimo è stabile soltanto se tutte le 
perturbazioni rimangono piccole, ed è 
instabile se c'è almeno un tipo di pertur- 
bazione che seguita a crescere, In tutte le 
situazioni reali sono sempre presenti in 
una certa misura tutti i tipi di perturba- 
zione, e quindi uno stato fondamentale 
instabile si disperde o si evolve sempre in 
un tempo finito. 

Lo stato fondamentale più semplice è 
quello di un'atmosfera che scorre esatta- 
mente da ovest a est t in cui La velocità 
del vento varia solo con La latitudine. 
Questo potrebbe essere il caso di Giove, 
anche se potrebbe essere scorretto tra- 
scurare le variazioni della velocità con 
l'altitudine. Nello stato fondamentale 
l'unica energia disponibile è cinetica ed è 
associata alle diverse velocità alle diverse 
latitudini. Allo stesso livello fra una zo- 
na e l'altra non si hanno gradienti termi- 
ci orizzontali. Si dice che questa atmo- 
sfera è barotropa, a differenza di quella 
baroclina, in cui l'energìa è prevalente- 
mente gravitazionale ed è associata a 
gradienti termici orizzontali. 



Le diverse velocità del vento diretto a 
est possono essere messe in diagramma 
rispetto alla latitudine per costruire un 
profilo di velocità. In un'atmosfera ba- 
rotropa è possibbile un'instabilità solo 
quando la curvatura del profilo di velo- 
cità supera un certo valore critico, ugua- 
le a due volte il coseno della latitudine 
moltiplicato per La velocità di rotazione 
del pianeta e diviso per il suo raggio. 
Nel 1969 Guzzi e io applicammo il cri- 
terio dì stabilità ai dati a lungo termine 
di Peek sul periodo di rotazione di Giove 
rispetto alla latitudine. Trovammo che 
secondo questo criterio su Giove vi sono 
soltanto alcune latitudini alle quali sono 
possibili instabilità anche marginali. Le 
instabilità si trovano al centro delle velo- 
ci correnti retrograde dell'atmosfera di 
Giove, alle latitudini in cui il perìodo di 
rotazione è massimo. Le perturbazioni 
che si sviluppano più rapidamente sono 
onde che oscillano in senso Longitudinale; 
in prossimità delle correnti retrograde, 
quindi» ogni volta che il parametro di sta- 
bilità viene superato, il flusso principale 
est -ovest dovrebbe disperdersi in un siste- 
ma di onde. Quando il parametro di sta- 
bilità non viene superalo la struttura del 
flusso est -ovest resta costante nel tempo. 

11 Pioneer 11 1 coi suoi primi piani del- 



200 



m 160 



s 
o 



o 
oc 



120 



te 
oc 
< 



p 



CL 
OC 



H 

| 40 




-0,02 



-0.05 



wrmrnmmnMMmrmrmmifm'm' 



NUBI DI AMMONIACA (NH 



NUBI DI IDROSOLFURO DI AMMONIO (NH 4 SK) ^ 



NUBI 01 CRISTALLO DI ACQUA GHIACCIATA (H^O) 



50 



0,1 



0,2 



0,5 lu 
oc 

lu 

LL 

1 i 



o 

2,0 g 



- 5.0 



-10 



100 



150 



200 250 

TEMPERATURA (KELVIN) 



300 



350 



400 



Struttura verticale delle nubi dell 1 atmosfera gio viaria, calcolata in 
base a un modello teorico messo a punto ila John S. Lewis del Massa- 
chusetts Inslitule or Technology. In un'atmosfera composta principal- 
mente di idrogeno e elio, che sono gas non condensabili, si hanno 
diversi strati di nubi. La linea in colore indica la temperatura dell'at- 
mosfera alle varie profondità e pressioni e questi valori si basano 



sull'analisi dei dati all'infrarosso eseguila da Glenn S, Orlon del Jet 
Propulsion La bora tory del California Inslitule of Technology. La 
linea nera tratteggiata indica la temperatura teorica dell'atmosfera alle 
stesse profondità e pressioni nel caso che l'atmosfera fosse perfetta* 
mente adiabalica (ossia completamente mescolala per convezione). 
L'atmosfera del pianeta è quasi adiabalica, salvo che ai livelli più alti. 



l'emisfero settentrionale di Giove» ha for- 
nito una conferma qualitativa. Le imma- 
gini mostrano diverse bande in cui un si- 
stema di onde fa pensare che vi sia loca- 
lizzata un'instabilità* I sistemi di onde 
più notevoli si hanno ai bordi delle zone 
verso l'equatore (ossia ai bordi delle fa- 
sce verso i poli). Secondo i dati di Peek 
le correnti retrograde sono localizzate 
nelle stesse posizioni» In altre parole sem- 
bra che le instabilità si sviluppino pro- 
prio dove è previsto dal criterio di stabi- 
lità barotropa. 

Dalle immagini riprese dal Pioneer II 
sembra anche che il flusso parallelo delle 
fasce e delle zone, a latitudini superiori a 
circa 45 gradi, si dissolva completamen- 
te* Almeno qualitativamente ciò è in ac- 
cordo col criterio di stabilità barotropa, 
perché il valore critico della curvatura è 
proporzionale al coseno della latitudine, 
il quale ai poli diventa zero; secondo il 
criterio di stabilità, quindi, ai poli una 
struttura a bande est -ovest sarebbe insta- 
bile e non potrebbe essere una caratteri- 
stica permanente dell'atmosfera. 

Una struttura nord-sud è diversa. La 
struttura nord -sud più generale è un mi- 
sto di onde che si propagano verso ovest 
a varie velocità. La differenza fra le 
strutture di flusso nord -sud e quelle est- 
-ovest potrebbe spiegare i risultati otte- 
nuti recentemente al calcolatore da Ga- 
relli P, Williams del Laboratorio geofìsi- 
co dì dinamica dei fluidi della Princeton 
University. Egli è partito dal modello 
barotropo dell'atmosfera di Giove e ha 
introdotto nell'equazione un termine che 
descriveva una forza variabile casual- 
mente e un termine che descrìveva la dis- 
sipazione di energìa attribuibile alla vi- 
scosità dell* atmosfera. Ha trovato che 
inizialmente nel suo modello compariva- 
no sia moti est-ovest sia moti nord-sud. 
Successivamente i moti nord -sud conti- 
nuavano a formarsi e a scomparire, men- 
tre la struttura est-ovest cresceva lenta- 
mente fino al valore limite imposto dal 
criterio di stabilità. Calibrando i rapporti 
fra il termine delia forza variabile casual- 
mente e il termine di dissipazione, Wil- 
liams è stato in grado di costruire al cal- 
colatore un modello di Giove dall'appa- 
renza molto realistica {si veda l'illustra- 
zione a pagina 31). 

È ancora difficile capire come mai il 
modello barotropo riesca così bene a 
spiegare le proprietà dell'atmosfera di 
Giove. L'atmosfera profonda deve ruo- 
tare solidale con l'interno del pianeta, e 
quindi la velocità delle correnti ai limiti 
fra fasce e zone deve variare con la pro- 
fondità; associate a queste variazioni con 
la profondità ci devono essere differenze 
di temperatura fra fasce e zone su piani 
orizzontali. In altri termini l'atmosfera 
di Giove dovrebbe essere baroclina e non 
barotropa, 11 modello barotropo sarebbe 
ancora un'approssimazione valida se la 
diminuzione di temperatura effettiva fos- 
se molto più bassa della diminuzione 
adiabatica o se la temperatura aumentas- 
se con l'altitudine; ma queste sono possi- 
bilità improbabili, perché sia la teoria sia 
le osservazioni dicono che il gradiente 
termico reale è prossimo a quello adìa- 




20 30 40 

LATITUDINE {GRADI) 



60 70 B0 90 




30 40 

LATITUDINE (GRADO 



50 



60 70 SO 90 



Il bilancio deir irraggia menlo nell'atmosfera della Terra Un alia) e di Giove {in basso) mostra 
differenze sorprendenti fra i due pianeti. In tutti e due i pianeti la quantità di radiazioni termi* 
che emesse (in colore) è quasi indipendente dalla latitudine, mentre la quantità di luce solare 
assorbita (in nero) dipende fortemente d ali* angolo d'incidenza del Sole ai pò IL La Terra ha una 
sorgente interna di calore trascurabile, e quindi per la Terra le aree delimitate dalle due curve 
sono uguali. La quantità in eccesso del calore solare assorbito all'equatore viene trasportata 
verso i poli da correnti atmosferiche e oceaniche. Giove possiede una notevole sorgente intema 
di calore e quindi per Giove Parca delimitata dalla curva in colore è 1,9 volte più grande di 
quella delimitata dalla curva In nero; inoltre su Giove pochissimo calore viene trasportato ai polì 
da correnti atmosferiche. Perciò il caiore interno di Giove deve raggiungere la superficie prefe- 
renzialmente ai. poli. Le irregolarità nelle curve di Giove sono dovute alle fasce e alle zone; le 
fasce emettono radiazione termica e assorbono luce solare in misura maggiore delle zone. Per 
ambedue i pianeti le curve sono mediate rispetto alla longitudine e al tempo diurno e stagionale. 



38 



39 



battco, fatta eccezione per la stratosfera, 
che è al ài sopra della zona dove si veri- 
ficano i moti delle nubi. Forse il suc- 
cesso del modello barotropo è dovuto ai 
nostri tentativi eccessivamente zelanti 
volti a far concordare i dati delle osser- 
vazioni con una teoria basata sull'espe- 
rienza terrestre; il meccanismo reale in 
atto su Giove potrebbe in realtà ancora 
sfuggirci, 

*T* orniamo ora alla grande macchia ros- 
^ sa e a macchie simili dell'atmosfera 
di Giove, Per diversi anni Tunica teoria 
in grado di spiegare la grande macchia 
rossa sembrava che fosse Pipotesi della 
colónna di Taylor, avanzata da Raymond 
Hide, che allora era al MIT. A causa del- 
la tunga persistenza della grande macchia 
rossa, della sua costanza in latitudine e 
della sua unicità, sembrava che dovesse 
essere legata a un oggetto solido sotto- 
stante o a una caratteristica topografica 
che desse orìgine direttamente alle strut- 
ture di flusso visibili alla superficie. La 
colonna di Taylor è il cilindro di fluido 
stagnante che si pensava collegasse que- 
sto oggetto solido alla nuvola rossa che 



si vede nella parte superiore dell'atmo- 
sfera di Giove, 

Poiché oggi si pensa che Giove non 
possieda superficie solida a nessuna pro- 
fondità, Tipotesi della colonna di Taylor 
non è più obbligatoria. Inoltre le osser- 
vazioni più recenti hanno messo in evi- 
denza le somiglianze fra la grande mac- 
chia rossa e le zone: in effetti la lunga 
persistenza della macchia e la sua costan- 
za in latitudine non sono più singolari 
della lunga persistenza e della costanza 
in latitudine della zona in cui si trova. 
Anche la grande macchia rossa si sposta 
irregolarmente verso ovest rispetto al 
campo magnetico di Giove, che presumi- 
bilmente sarebbe solidale con la superfi- 
cie solida del pianeta, se esistesse. Infine 
anche altre zone sembrano possedere le 
loro macchie rosse, e ciò fa pensare che 
la grande macchia rossa non sia unica. 

L'opinione che prevale oggi è che tutte 
le macchie rosse, cosi come le zone» sia- 
no fenomeni meteorologici. Poiché la 
grande macchia rossa ha nubi più alte e 
una circolazione anticiclonica più intensa 
dì tutte le altre zone, potrebbe venire 
chiamata una superzona: se le 2one e le 



macchie rosse sono generate dal calore 
latente di condensazione, allora potrebbe 
anche trattarsi di un uragano gioviano. 

Come in una tempesta tropicale terre- 
stre, c'è, nella grande macchia rossa, la 
probabilità di un movimento complessi- 
vo verso Paltò e, nelle zone immediata- 
mente esterne, quella di un moto discen- 
dente relativamente uniforme. Comun- 
que le velocità di gran lunga più elevate 
sono associate al flusso orizzontale at- 
torno alla macchia; il moto verticale e la 
conseguente espansione dell'atmosfera 
alla sommità delle nubi sono troppo pic- 
coli per poter essere misurati. Forse gli 
scambi verticali di energia e di calore, e 
così anche la dissipazione di energia, so- 
no piccoli: quindi, in prima approssima- 
zione si possono trascurare tutti i proces- 
si di dissipazione e ci si può chiedere se 
c'è un modello adeguato del flusso oriz- 
zontale che si ha attorno alla macchia. 
Ancora una volta il caso più semplice è 
quello di un'atmosfera baratro pa. Lo 
scopo di tale studio sarebbe quello di ve- 
dere se ci sono condizioni particolari in 
cui le macchie rosse possono o non pos- 
sono esistere e di vedere se il modello 




La strutturi» a bande scompare alte alte latitudini su Giove, come si 
vede in questa fotografia ad alla risoluzione dell'emisfero settentrio- 
nale del pianeta, fatta da Pioneer IL l/equatore è la seconda zona 
chiara a partire dal basso. La regione disturbata a nord cade alla 



latitudine in cui in base alla teorìa il flusso fondamentale fra una 
fascia e una zona diventerebbe instabile. Più a nord tale instabilità 
è dominante a tutte te latitudini. E bordi della fotografia sono distor- 
ti per la rotazione del pianeta e per il moto della sonda spaziale. 



può prevedere qualche dettaglio della 
struttura di flusso di tati macchie para- 
gonabile alle osservazioni. 

La grande macchia rossa giace in una 
zona delPemisfero meridionale dì Giove 
e ruota in senso antiorario, come una 
ruota fra due superfìct che si muovono 
in senso opposto. A nord (verso r equa- 
tore) sulla macchia, lungo il margine set- 
tentrionale della zona, il flusso è verso 
ovest, mentre a sud (verso il polo) di essa 
il flusso è verso est. Nel 1970 lavorando 
con un modello elaborato al calcolatore, 
ho trovato che la configurazione a ruota 
era Tunica che dava una configurazione 
stazionaria (indipendente dal tempo} del 
flusso. Questa configurazione mostra che 
le macchie anticicloniche, come la gran- 
de macchia rossa, possono esistere solo 
in strutture anticicloniche lineari, come 
le zone. Questo aspetto del modello aJ 
calcolatore è confermato dal fatto che le 
macchie rosse si trovano associate alle 
zone sia nell'emisfero settentrionale sia 
in quello meridionale. Il modello al cal- 
colatore prevede anche che La grande 
macchia rossa dovrebbe avere ai bordi 
orientali e occidentali, dove le opposte 
correnti di vento della zona si dividono, 
delle estremità a punta. Questo aspetto è 
confermato dai primi piani della mac- 
chia» in cui le estremità a punta sono 
chiaramente visìbili. Recentemente Tony 
Maxwonhy e Larry G. Redekopp, della 
University of Southern California, han- 
no riprodotto molti altri dettagli del flus- 
so attorno alla grande macchia rossa. Si 
suppone che il flusso fondamentale sia 
barotropo, e così questo modello condi- 
vide la debolezza dei modelli baro tropi: 
il gradiente termico effettivo deve diffe- 
rire dal gradiente adiabatico in misura 
incompatibile con gli altri dati sull'atmo- 
sfera di Giove. 

nputti gli studi sulla grande macchia 
A rossa dimostrano che tali strutture 
di flusso possono esistere in uno stato 
stazionario senza una superfìcie solida 
che ne definisca la forma: in mancanza 
di dissipazioni di energia queste strutture 
potrebbero durare per sempre, Anche 
introducendo una piccola dissipazione, 
cosa appropriata per Giove, la situazione 
non cambi crebbe apprezzabilmente: l'e- 
nergia che dev'essere dissipata potrebbe 
essere fornita completamente dal calore 
latente ceduto quando i gas asciutti con- 
vergono con quelli umidi. 

Un giorno o l'altro mi piacerebbe ela- 
borare al calcolatore un modello che fun- 
zioni sia per Giove sia per la Terra. 
Fissando le sorgenti e i pozzi di energia 
appropriati, con condizioni limite più ri- 
strette, con ipotesi opportune sulle sor- 
genti interne di calore di Giove e così 
via, il modello dovrebbe poter prevedere 
realisticamente il comportamento delle 
atmosfere di ambedue i pianeti. Avere 
un modello di questo tipo significhereb- 
be comprendere la meteorologia terrestre 
a un livello assai più profondo, perché 
l'universalità dei principi che la riguar- 
dano sarebbe stata verificata dalla appli- 
cabilità a due sistemi atmosferici ìndi- 
pendenti. 




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a bordo della t/n «Marconi» 



CORRISPONDENTI IN TUTTO IL MONDO 



40 



41 



Cesserà l'espansione dell'universo? 

La recessione delle galassie lontane, la densità media della materia, 
l'età degli elementi chimici e l'abbondanza di deuterio suggeriscono 
concordemente che l'espansione non può essere arrestata né invertita 

di J. Richard Gott III, James E. Gunn, David N. Schramm e Beatrice rVL Tinsley 



La cosmologia è campo di indagine 
di antica origine, ma solo negli ul- 
timi 50 anni circa si è cominciato 
a capire come è nato l'universo e quale 
può essere il suo destino finale. Un passo 
decisivo fu compiuto negli anni venti, 
quando Edwin P* Hubble dimostrò che 
le nebulose a spirale non sono oggetti lo- 
cali ma sistemi indipendenti di stelle mol- 
to simili al nostro, provando così che 
l'uni verso ha dimensioni motto maggiori 
di quanto sì credesse. Hubble mostrò 
inoltre che l'intero sistema osservabile di 
galassie è in moto ordinato. Come è oggi 
ben noto, tale movimento ha carattere di 
espansione: tutte le galassie distanti si 
allontanano da noi. 

Il fatto che l'universo sìa in espansio- 
ne è ritenuto oggi una certezza. Rimane 
invece aperto il problema se l'espansione 
continuerà per sempre oppure se le ga- 
lassie, che ora si allontanano» si arreste- 
ranno un giorno e invertiranno il loro 
moto, cadendo alla fine l'una sull'altra 
in un immane collasso. Risolvere questo 
problema significa determinare quale sia 
la geometrìa dell'universo, cioè la natura 
dello spazio e dei tempo. Se l'espansione 
procederà indefinitamente, allora l'uni- 
verso è <f aperto» e infinito; se un giorno 
avrà termine e invertirà la sua direzione, 
allora l'universo è «chiuso» e di esten- 
sione finita. 

Per decidere tra queste possibilità gli 
astronomi costruiscono modelli matema- 
tici del Fu ni verso e cercano poi di trovare 
caratteristiche osservabili dell'universo 
fisico che siano capaci di confermare 
uno dei modelli e di escludere tutti gli 
altri. Finora non è stata compiuta nessu- 
na misura sperimentale singola sufficien- 
temente precisa da risolvere il problema 
inequivocabilmente. Tuttavia sono pos- 
sibili numerosi test indipendenti, e varie 
tessere dei mosaico sono state fornite da 
molti ricercatori facendo uso di tecniche 
diverse. Sembra possibile, allo stadio at- 
tuale a cui è giunta la ricerca, riunire in 
un quadro unitario i vari pezzi. Nel loro 
complesso i dati che sono disponibili 
suggeriscono che l'universo è aperto e 
che la sua espansione non si arresterà 
mai. 



Espansione isotropa 

Hubble scopri il moto di recessione 
delle galassie lontane mediante misure 
compiute sui loro spettri ottici. Gli spet- 
tri della maggior parte delle stelle (e quin- 
di delle galassie) sono interrotti da righe 
scure che rappresentano l'assorbimento 
di una particolare lunghezza d'onda da 
parte degli atomi negli strati più esterni e 
più freddi dell'atmosfera stellare; ogni 
elemento chimico dà luogo a uno schema 
caratteristico di righe le cui lunghezze di 



onda sono state determinate con grande 
precisione in esperimenti di laboratorio. 
Quando la galassia si allontana dall'os- 
servatore, la lunghezza d'onda di ogni 
riga spettrale aumenta in seguito all'ef- 
fetto Doppler, così che tutte le righe ap- 
paiono spostate verso lunghezze d'onda 
maggiori e, in particolare, verso la regio- 
ne rossa della banda visibile dello spet- 
tro. Questo fenomeno è noto come spo- 
stamento verso il rosso ed è possibile, 
misurandone l'entità, risalire alla veloci- 
tà di recessione. Quando un oggetto si 




• m 



• • • 



avvicina all'osservalo re, le lunghezze 
d'onda delle sue righe spettrali diminui- 
scono per l 'effetto Doppler e le righe ap- 
paiono spostate verso la regione blu del- 
lo spettro. Questo effetto è detto sposta- 
mento verso il blu. Tutte le galassie lon- 
tane di cui Hubble e altri dopo di lui 
hanno misurato gli spettri presentano 
spostamenti verso il rosso: si deduce per- 
tanto che esse stanno allontanandosi da 
noi. 

li moto di recessione è dotato di varie 
proprietà interessanti. Hubble dimostrò 
che la velocità con cui una galassia si al- 
lontana è proporzionale alla sua distanza 
da noi, il che permette di determinare un 
rapporto costante tra la distanza e la 
velocità. Tale rapporto prevede che una 
galassia che si trova a tO milioni di anni 
luce da noi sì allontani alla velocità dì 
170 chilometri al secondo; un'altra galas- 
sia che disti il doppio sr allontanerà con 
velocità doppia, cioè a 340 chilometri al 
secondo (si vedano te iifus trazioni delie 
due pagine seguenti). Si osservano gene- 
ralmente pìccole deviazioni da questa 
norma, poiché la maggior parte delle 
galassie fa parte di gruppi o ammassi e 
pertanto presenta moti orbitali con una 
componente della velocità lungo la lìnea 
di vista che unisce la Terra con la galas- 
sia. Questi moti hanno però natura ca- 
suale» pertanto si cancellano reciproca- 
mente in qualsiasi campione che conten- 
ga un gran numero di galassie. Deviazio- 
ni non casuali, sistematiche, dalla legge 



* 

* 

* 

• - • 

. . . 

* 

• * 



* 

* 

• • • 

• • * * 

■ - * • 

# 

* • 

■ 
■ ■ • 



di proporzionalità sono state travate so- 
lo per galassie estremamente discanti; co- 
me vedremo queste deviazioni non priva- 
no di validità la legge, ma forniscono 
importanti informazioni sulla storia del- 
l'universo. 

Una seconda caratteristica dell'espan- 
sione cosmica è la sua isotropia: essa in- 
fatti procede ugualmente in ogni direzio- 
ne. La velocità dì recessione di una ga- 
lassia è correlata alla sua distanza me- 
diante la stessa costante di proporziona- 
lità indipendentemente dalla posizione 
occupata sulla volta celeste. Questa os- 
servazione sembra indicare che l'univer- 
so è dotato di elevata simmetria e che, 
cosa ancor più straordinaria, noi ci tro- 
viamo proprio nel suo centro. Le cosmo- 
logie medievali, con l'ipotesi delle sfere 
cristalline, non erano maggiormente geo- 
centriche. 

Naturalmente c'è un'altra spiegazione, 
che può essere facilmente compresa con- 
siderando un semplice modello bidimen- 
sionale dell'universo in espansione. Im- 
maginate un palloncino sferico sulla cui 
superficie sono dipinti piccoli punti, cia- 
scuno dei quali rappresenta una galassia. 
Gonfiando il palloncino, la distanza tra 
due punti qualsiasi (misurata sempre sul- 
la superficie della sfera) cresce con una 
velocità proporzionale alla distanza reci- 
proca* Indipendentemente dal punto che 
si è voluto scegliere come centro, tutti gli 
altri punti si allontanano da esso unifor- 
memente in tutte le direzioni. Pertanto 



da ogni punto si osserva un'espansione 
della stessa intensità e nessun punto ha 
una posizione privilegiata. Un'espansio- 
ne così fatta non ha centro, o meglio, 
ogni punto è il suo centro. 

Da questa analisi dell'espansione si de- 
duce che la configurazione geometrica 
dei punti non può cambiare. Un pallon- 
cino su cui è dipinta un'immagine di To- 
polino continua a mostrare la stessa fi- 
gura quando è gonfiato. Tutte le distan- 
ze fra i punti sul palloncino sono cre- 
sciute di uno stesso fattore moltiplicati- 
vo. Analogamente, nell'universo reale, 
otto galassie che in un dato istante sono 
collocate sui vertici di un cubo, rimango- 
no sui vertici di un cubo, seppure più 
grande, mentre l'universo si espande, 

// «big bang» 

Dopo la scoperta iniziale di Hubble, 

osservazioni sempre più precìse hanno 
mostrato che l'isotropia non è una pro- 
prietà esclusiva dell'espansione cosmica; 
tutte le caratteristiche dell'universo os- 
servabili su larga scala sono indipendenti 
dalla direzione. Per esempio, la distribu- 
zione delle galassie sulla sfera celeste e la 
distribuzione delle radiosorgenti extraga- 
lattiche appaiono del tutto uniformi. La 
prova decisiva a favore dell'isotropia fu 
fornita nel 1965 da Arno A. Penzias e 
Robert W. Wilson dei Bell Laboratories; 
è la radiazione di fondo nella banda del- 
le microonde che sembra permeare tutto 



* * 

* * 

* * * 

* 
* 



* * • 



* * 




* * - * . 
■ • • ■ 



** ■* *«*.««' 



LONTANO PASSATO - 



-> PRESENTE - 



-> LONTANO FUTURO 



Due classi di modelli dell'evoluzione dell' uni verso sono in genere ritenute verosimili; in 
entrambe I* universo ha inizio in uno slato compatto a densità infinita (il big bang). In una classe 
l'universo si espande continuamente e indefinitamente, sebbene a velocità sempre minore {serie 
superiore di figure)* Nell'altra l'universo si espande fino a raggiungere un'estensione massima. 



poi comincia a con trarsi ricadendo alta fine in uno stato di densità 
infinita (serie inferiore di figure). E due casi sono illustrati qui per una 
regione arbitraria dello spazio in cui L'espansione è rappresentata da 
una riduzione della densità. I. 'espansione è isotropa, ovvero è la 



stessa in ogni direzione, e quindi un osservatore, indipendentemente 
dalla posizione occupata, percepisce se stesso al centro dell'espansione 
e lo schema di una configurazione geometrica tcome quella arbitraria 
indicata nella figura coi punti colorati) rimarrà invariato in ogni epoca. 



42 



43 



l'universo. Sì è dimostrato che questa ra- 
diazione è fortemente isotropa: la sua 
variazione sull'intera area del cielo è mi- 
nore dell* uno per mille. 

L'osservazione di un grado così eleva- 
to di isotropia ha portato alla formula- 
zione di una legge generale di enorme 
importanza nota come il principio co- 
smologico, la quale afferma che in ogni 
luogo e in ogni epoca l'universo appare 
isotropo a qualsiasi osservatore che par- 
tecipi all'espansione. In altri termini, la 



nostra galassia è davvero nel centro del- 
l'universo, ma condivide questo privile- 
gio con ogni altra galassia, 

11 principio cosmologico determina an- 
che il comportamento del modello bidi- 
mensionale di universo rappresentato da 
un palloncino sferico, Se i punti dipinti 
sono distribuiti con densità uniforme sul- 
la superficie del palloncino, allora l'a- 
spetto della regione prossima a un punto 
fissato è statisticamente lo stesso indi- 
pendentemente dal punto considerato e 



non esistono direzioni privilegiate. In ef- 
fetti non è necessario formulare indipen- 
dentemente l'ipotesi che i punti (ovvero, 
nell'universo tridimensionale, le galassie) 
siano distribuiti uniformemente. Infatti 
se l'universo è isotropo per ogni osserva- 
tore, allora la distribuzione deve essere 
omogenea; altrimenti un osservatore che 
si trovi ai confini dì una fluttuazione di 
densità non vedrebbe una distribuzione 
uniforme indipendentemente dalla dire- 
zione. 




A causa dell'isotropia, l'espansione cosmica sembra porre l'osservato- 
re al centro dell'universo, nel punlo cioè da cui Fuggono via tutte le 
galassie lontane. La veloci là di recessione di una galassia è proporzio- 
nale alla sua distanza dall'osservatore. Questa relazione è stata deter- 
minata per la prima volta negli anni venti da Edwin P. Hubble 
mediante osservazioni condotte col telescopio da 100 pollici del 
Mount Wilson Onservatory. Da allora l'affermazione della costanza 



170 340 STO 
CHILOMETRI PER SECONDO 



del rapporto tra la velocita di recessione e la distanza è nota come la 
le&ge di tf ubbie. Il modo più semplice per interpretare questo rappor- 
to è pensare che l'espansione abbia avuto inizio con il big bang, dal 
momento che la relazione esistente implica che in passato tutte le ga- 
lassie formavano un blocco molto compatto dì densità infinita. Le 
distanze sono espresse in milioni di anni luce; le velocità sono rappresenta- 
te dalle lunghezze delle frecce misurate secondo la scala in basso a destra. 



Per gli scopi della nostra trattazione 

adotteremo il principio cosmologico, ma 
si deve ricordare che il suo interesse è es- 
senzialmente speculativo, dato che non è 
stato verificato in modo soddisfacente e, 
in effetti, può darsi che non sia suscetti- 
bile di prove conclusive. 

Data la nostra conoscenza dell'univer- 
so basata sulle osservazioni odierne» che 
cosa possiamo dedurre circa la sua sto- 
ria? Possiamo incominciare con un mo- 
dello semplice che suppone che la veloci- 
tà di recessione di ogni galassia sia rima- 
sta invariata nel tempo. Da ciò si può 
derivare che la distanza che ci separa da 
qualsiasi galassia in recessione diminui- 
sce gradualmente man mano che si pro- 
cede verso il passato, e che il tempo tra- 
scorso dallo stato di massima prossimità 
è uguale al rapporto tra la distanza della 
galassia e la sua velocità. Ma poiché tale 
rapporto è lo stesso per tutte le galassie, 
allora tutte quante devono essere state 
vicine nello stesso tempo; in altre parole, 
in un particolare istante del passato tutta 
la materia dell'universo era compressa in 
una massa di altissima densità. Il tempo 
trascorso a partire da quello stato di mas- 
sima compattezza, calcolato nell'ipotesi 
che La velocità di espansione non sia va- 
riata, è detto tempo di Hubble. il suo re- 
ciproco, per il quale va moltiplicata la 
distanza di una galassia per ottenerne la 
velocità di recessione, è detto la costante 
di Hubble, La determinazione del tempo 
di Hubble è resa difficile da numerosi 
elementi di incertezza sulla distanza delle 
galassie, e ì valori delle misurazioni sono 
stati corretti più volte dopo una prima 
stima pari a circa due miliardi di anni 
dovuta a Hubble. Oggi si ritiene che il 
tempo di Hubble sia compreso tra 12 e 
25 miliardi di anni, e che il valore più 
probabile sia di circa 19 miliardi. 

Se si estrapolano nel passato i moti 
delle galassie, si giunge alla fine a uno 
stato in cui tutte le galassie sono schìac- 
ciate Funa sull'altra con una densità in- 
finita. Questa situazione rappresenta il 
big bang (grande esplosione), e segna 
l'origine dell'universo e di ogni cosa in 
esso. Con un semplice calcolo si vede 
che, se le velocità di recessione non sono 
cambiate, allora il giorno del big bang 
deve essere stato esattamente "un tempo 
di Hubble fa. In realtà la velocità di 
espansione quasi certamente non è rima* 
sta costante, ma questo non contraddice 
il fatto che ci sta stato il big bang; sem- 
plicemente ne sposta la data. 

Il fatto che l'universo abbia avuto ori- 
gine con una grande esplosione è una 
conclusione inevitabile se si suppone che 
le leggi note della fìsica siano corrette e 
in certa misura complete. Non va trascu- 
rata però la possibilità che esistano leggi 
di natura i cui effetti non sono apprez- 
zabili su scale dell'ordine di quelle dei la- 
boratori di fisica e nemmeno di quelle 
del sistema solare, ma che possano pre- 
dominare nel determinare il comporta- 
mento dell'universo nella sua totalità. 
Una teoria che fa ricorso a nuove leggi 
di natura è la cosmologia dello stato sta- 
zionario, in cui r uni verso non muta il 
suo aspetto nel tempo e ha età infinita. 




20 30 

DISTANZA (MILIONI 01 ANNI LUCE) 



40 



La legge di Hubble sì determina misurando il rapporto Ira la veloci la e la distanza per molte 

galassie. La siimi) migliore di tale rapporto (linea contìnua in colore] è dì circa 17 chilometri al 
secondo ogni milione di anni luce. Le singole galassie (punti bianchi) si discostano da tale valore 
poiché In maggior pane di loro tu parli- di ammassi e presenta velocità orbitati. L'inverso del 
rapporto è il tempo di Hubble: cioè il tempo impiegato da ciascuna galassia per raggiungere la 
posizione attualmente occupa la se st fosse mossa sempre con velocità pari a quella odierna , ovvero, 
il tempo che sarebbe trascorso dal big bang se le velocità non fossero cambiate. In realtà si ritiene 
che W velocità di recessione siano diminuite a causa dell'attrazione gravitazionale^ si ritiene perciò 
che il valore' del rapporto cresca considerando distanze grandissime (linea tratteggiata in colore}. 



Per rendere conto dell'espansione cosmi- 
ca la teoria detto stato stazionario ipotiz- 
za la creazione di materia dal nulìa. 

Nel modello di universo dello stato 
stazionario è particolarmente arduo spìe- 
gare la radiazione di fondo nelle micro- 
onde. Questo campo di radiazione ha le 
caratteristiche spettrali della radiazione 
termica emessa da un corpo nero alla 
temperatura di 2,7 kelvin, e sembra spie- 
gato in modo soddisfacente solo come 
residuo di un'epoca in cui l'universo era 
molto caldo e denso, Un universo a stato 
stazionano non può essere stato in una 
condizione siffatta, dal momento che in 
tale modello tutte le condizioni sono in- 
variabili per definizione, 

Nei modelli che prevedono il big bang 
la radiazione di fondo è una conseguen- 
za naturale delle condizioni esistenti nel- 
l'universo primitivo. In questi modelli lo 
stato iniziale è caratterizzato da elevata 
temperatura e densità, uno stato detto 
talvolta «palla di fuoco cosmica». Si 
pensa che in tale stadio la materia e l'e- 
nergia elettromagnetica che componeva- 
no l'universo fossero in equilibrio termo- 
dinamico: pertanto lo spettro della ra- 
diazione era quello di un corpo mollo 
caldo. Man mano che l'universo si e- 



spandeva la radiazione si raffreddava, 
fino a giungere allo spettro a bassa tem- 
peratura osservato oggi. Tale raffredda- 
mento può essere interpretato come un 
colossale spostamento verso il rosso; dal 
momento che tutte le galassie si allonta- 
nano costantemente dalla radiazione, lo 
spettro di questa è costantemente sposta- 
to verso lunghezze d'onda maggiori, as- 
sociate con energie minori e temperature 
più basse. Nel 1946 George Gamow pre- 
vide resistenza di una radiazione di fon- 
do dì tipo termico deducendota essen- 
zialmente dall'apparato teorico del mo- 
dello del big bang. Egli calcolò per la 
temperatura attuale della radiazione di 
fondo ti valore di cinque kelvin. L'ac- 
cordo tra le previsioni di Gamow e le os- 
servazioni di Penzias e Wilson è la prova 
più significativa a favore del big bang. 

Si ritiene pertanto che L'universo sia 
nato da uno stato a densità infinita circa 
un tempo di Hubble fa. Lo spazio, il 
tempo e tutta la materia dell'universo 
furono creati allora. Non ha significato 
chiedersi che cosa ci sia stato prima del 
big bang: sarebbe un po' come doman- 
darsi che cosa c'è a nord del polo nord. 
Analogamente non ha senso chiedersi do- 
ve abbia avuto luogo il big bang. L'uni- 



44 



45 



verso puntiforme non era un oggetto iso- 
lato nello spazio, ma era l'universo in- 
tero, e perciò la sola risposta possibile a 
questa domanda è che il big bang è acca- 
duto ovunque. 

Nella maggior parte dei modelli dell'u- 
ni verso in evoluzione si suppone che le 
galassie in recessione seguano traiettorie 
balistiche, più o meno simili a quella di 
una palla lanciata o di un proiettile d'ar- 
tiglieria. Le galassie sono state proiettate 
da forze che hanno agito nel momento 
del big bang, ma da allora in poi si sono 
mosse in volo libero, senza ulteriori spin- 
te. Se su di esse non agissero altre forze 
dovrebbero perciò procedere con moto 
uniforme. In realtà le galassie continua- 
no a interagire mentre si allontanano. Se 
nei nostri modelli sono accettabili solo le 
forze comuni con cui esprimiamo le leggi 
note della fisica, allora una sola forza 
può avere un effetto significativo sull'e- 
spansione: la gravitazione. Possiamo per- 
tanto sperare di capire la dinamica di un 
universo in espansione se riusciamo a de- 
scrivere l'interazione gravitazionale di 
tutte te sue componenti. 



Decelerazione gravitazionale 

La forza gravitazionale agisce su tutta 
la materia, è sempre attrattiva e il suo 
raggio d'azione è infinito. Inoltre, la gra- 
vitazione gode di una particolare pro- 
prietà geometrica che ne semplifica note- 
volmente Panalisi: una sfera cava non 
esercita nessuna forza gravitazionale nei- 
ta sulle masse poste nel suo interno, (In 
realtà, naturalmente, la massa del guscio 
attrae le masse che sono poste nel suo 
interno, ma le varie forze si annullano a 
vicenda, così che in ogni punto interno 
la forza risultante è nulla.) Questa affer- 
mazione fu provata per la prima volta da 
Newton, ma si applica altrettanto bene a 
teorie più moderne della gravitazione, 
come la teoria generale della relatività. 

Se si prende in esame una regione sfe- 
rica dell'universo, il resto dell'universo 
che la circonda può essere considerato 
come un guscio sferico, dal momento 
che il principio cosmologico implica che 
la materia circostante sia distribuita uni- 
formemente in tutte le direzioni. La sfera 
in esame può allora essere studiata come 




l modelli dell'evoluzione cosmica descrìvono la variazione delle dimensioni dell'universo al passare 
del tempo. Tutti i modelli devono essere compatibili con le dimensioni e la velocità di 
espansione osservate oggi, cosi che («ite le loro rappresentazioni grafiche devono essere tangenti 
ira loro all'istante attuale- Se la velocità dì espansione è costante l Une a nera tratteggiata), reta 
dell'universo è uguale al tempo dì H ubbie. Tultì gli universi che prevedono una decelerazione 
sono più giovani, e sia la loro storia passata sia il loro destino futuro dipendono dal valore della 
decelerazione. Se il rallentamento è relativamente piccolo, l'espansione può continuare indefini- 
tamente, anche se con velocità sempre minore {linea nera continua). Un rallentamento maggiore 
implica che l'espansione cosmica deve arrestarsi e poi invertirsi, portando a un collasso finale 
(linea in colare). L'universo che si espande indefinitamente è detto «aperto»*; l'universo destina- 
to a collassare, che è anche il più giovane, tra quelli che abbiamo rappresentato, è detto «chiuso». 



se fosse isolata e non soggetta a forze 
esterne. Il principio cosmologico garan- 
tisce inoltre che qualsiasi sfera di galassie 
considerata si espanderà o contrarrà con 
la stessa legge di proporzionalità che si 
applica all'universo intero, indipendente- 
mente dalla localizzazione e dalle dimen- 
sioni della sfera stessa. A seguito di ciò, 
per determinare la dinamica dell'univer- 
so, basterà analizzare la dinamica di una 
qualsiasi sfera campione in esso. Se la 
sfera scelta sarà piccola, le velocità delle 
galassie saranno molto minori della velo- 
cità della luce, e i loro moti potranno" 
essere trattati coi metodi della meccanica 
newtoniana. 

Una galassia che si trovi sul bordo 
della piccola regione sferica è soggetta 
solo alle forze gravitazionali generate 
dalla materia interna alla sfera. Se la di- 
stribuzione della materia è omogenea, 
allora la forza risultante che agisce sulla 
galassia la attrae verso il centro della 
sfera. A causa di ciò la galassia in esame 
non si allontana a velocità costante; il 
suo moto di recessione risulta invece ri- 
tardato, È ovvio pertanto che nel passa- 
to la galassia in esame, e tutte le altre 
galassie, si muovessero più velocemente 
di oggi. Se sì trascura La decelerazione si 
sovrastima l'età dell'universo. Quest'ul- 
tima è pari a un tempo di Hubble solo 
nell'ipotesi che la velocità d'espansione 
non sia mutata; dal momento però che 
l'espansione è stata rallentata dall'azione 
della gravitazione, il big bang deve essere 
avvenuto in epoche più recenti di un 
tempo di Hubble fa. 

L'importanza della decelerazione gra- 
vitazionale dipende ovviamente dalla 
quantità di materia che si trova all'inter- 
no della sfera considerata. Se la sfera 
contiene una grande quantità di materia, 
la galassia in esame alla fine sarà arresta- 
ta e cadrà verso il centro; la regione sfe- 
rica campione comincerà a contrarsi e 
con essa, in forza del principio cosmolo- 
gico, l'intero universo. Se c'è poca mate- 
ria, la galassia in esame continuerà a ral- 
lentare, ma non si arresterà mai. Sia la 
regione sferica sia tutto l'universo si e- 
spanderanno indefinitamente. La situa- 
zione è simile a quella di un proiettile 
scagliato verso l'alto della superficie della 
Terra: il proiettile rallenta, ma cionono* 
stante non ricadrà sulla superficie se la 
sua velocità è superiore a un certo valore 
critico, la velocità di fuga. 

La velocità di fuga per oggetti che la- 
sciano La Terra è determinata dalla mas- 
sa della Terra stessa; per una galassia 
campione sulla superficie di una sfera 
arbitraria nello spazio la velocità di fuga 
è determinata dalla massa totale all'in- 
terno della sfera. La velocità di recessio- 
ne odierna della galassia campione ri- 
spetto al centro della sfera è nota dal 
rapporto velocità-distanza. Il destino del- 
la galassia dipende perciò dal valore della 
velocità di fuga e quindi dalla massa 
interna alla sfera. 

Dal momento che si fa l'ipotesi che 
l'universo sia omogeneo, la quantità da 
determinarsi è la densità media della ma- 
teria nell'universo. Se la densità è mino- 
re di un certo valore critico, l'effetto 





APERTO 


CRITICO 


CHIUSO 


PARAMETRO rt DENSITÀ EFFETTfVA 
D,DENSITA ' " DENSITÀ" OTTICA 


n < 1 


n = i 


n > i 


PARAMETRO n DISTANZA 
CH DECELERAZIONE ^ DECELERAZIONE (VEL0C|TA .. 2 


%H 


«*«3 


<Jo>| 


GEOMETRIA DELLO SPAZIO 


IPERBOLICA 
(CURVATURA NEGATIVA) 


PIATTA 
(CURVATURA NULLA) 


SFERICA 
(CURVATURA POSmVA) 


FUTURO DELLXINIVERSO 


ESPANSIONE 
PERPETUA 


ESPANSIONE 
PERPETUA 


COLLASSO FINALE 












h\ 















t modelli aperti e chiudi dell'universo sono dislinfi soprattutto dalla 
densità media della materia e dai valore della decelerazione cosmica. 
La densità è un fattore decisivo poiché net modelli descritti dalla 
teoria generale della relatività essa sola fissa il valore delle forze gravi- 
tazionali che rallentano l'espansione cosmica. La densità è descritta 
nel modo più semplice in termini di un parametro adimensionale: il 
rapporto tra la densità effettiva e la densità critica, dove quest'ultima 
corrisponde al minimo valore necessario per arrestare l'espansione. 
Anche la decelerazione può essere espressa mediante una grandezza 



adimensionate, il parametro di decelerazione! che nei modelli qui con- 
siderali e sempre uguale a metà del parametro di densità. Questi due 
parametri determinano non solo il futuro dell'universo, ma anche la 
geometria dello spazio. L'universo aperto ha estensione infinita in 
ogni istante e il suo spazio ha curvatura iperbolica negativa. Nell'uni- 
verso che ha densità uguale a quella critica, nel quale il parametro di 
densità è esattamente uguale a 1, lo spazio ha curvatura nulla: è lo 
spazio piatto della geometria euclidea. L'universo chiuso ha estensione 
finita; in tale universo lo spazio ha curvatura di tipo sferico positiva. 



della gravitazione è troppo debole per 
arrestare l'espansione cosmica, e tutse le 
galassie continueranno sempre ad allon- 
tanarsi (seppure sempre più lentamente). 
Se la densità è maggiore della densità 
critica, allora la gravitazione avrà la me- 
glio: l'espansione sarà rallentata fino a 
fermarsi» comincerà poi una contrazione 
accelerata che porterà a una catastrofe 
finale, che potrebbe essere delta il big 
crunch (grande implosione). Il valore ef- 
fettivo della densità critica è funzione del 
tempo di Hubble» che non è noto con 
precisione, Se il tempo di Hubble è di J9 
miliardi di anni la densità critica è di 
5x10*" grammi per centimetro cubo, 
equivalente a circa tre atomi di idrogeno 
per metro cubo. Sembra una densità 
straordinariamente piccola, ma si deve 
tenere presente che in media l'universo è 
praticamente vuoto. 

Il modo più conveniente per inserire . 
nei modelli matematici l'effetto della gra- 
vitazione su U 1 espansione cosmica consi- 
ste nel Vi n tradurre una grandezza adi- 
mensionale detta parametro di densità e 
indicata con la lettera greca omega (Q). 
li parametro di densità è definito come il 
rapporto tra la densità effettiva dell'uni- 
verso e la densità critica. Perché l'uni- 
verso continui a espandersi per sempre 
bisogna che tale rapporto sia minore o 



uguale a uno; se Q è esattamente uguale 
a uno, l'universo si sta espandendo o- 
vunque con velocità esattamente uguale 
a quella di fuga; se Q è maggiore di 1, 
l'universo dovrà alla fine collassare. 

La geometria dello spazio 

La trattazione svolta fin qui poteva 
essere dedotta completamente dalla teo- 
ria newtoniana della gravitazione, nono- 
stante sia valida anche nella teoria gene- 
rale della relatività. Nella teoria genera- 
le» però, il valore dei parametro di densi- 
tà determina ulteriori conseguenze; in 
particolare fissa la geometria dello spa- 
zio. Nell'universo ad alta densità desti- 
nato al collasso la gravitazione è suffi- 
cientemente intensa da «chiudere» lo spa- 
zio. 11 volume totale dell* uni verso è fini- 
to in ogni istante, sebbene l'universo non 
abbia né confini né bordi. Un analogo 
bidimes tonale di uno spazio tridimensio- 
nale siffatto è la superficie di una sfera, 
che pure ha area finita, ma non ha con- 
fini. 

Se Q è uguale a l cosi che Tu ni verso si 
espande proprio con la velocità di fuga, 
la geometria dello spazio è «piatta», os- 
sia la comune geometria euclidea» ed è 
rappresentata in due dimensioni da un 
piano infinito. 



La geometria di un universo in espan- 
sione perpetua, in cui Q è minore di 1, è 
più diffìcile da descrivere. Il corrispon- 
dente bidimensionale è la superficie di 
una figura detta pseudosfera, ma una 
pseudosfera completa non può essere co- 
struita in uno spazio a tre dimensioni. 
Una superficie a forma di sella gode di 
alcune delle proprietà di tale spazio. L'a- 
nalogia è però imperfetta in un aspetto 
molto importante: la superficie a sella ha 
un centro, mentre lo spazio reale non 
ammette posizioni privilegiate {si veda 
l'illustrazione della pagina seguente). 
Forse la migliore rappresentazione bidi- 
mensionale di uno spazio di tale genere è 
la proiezione di una pseudosfera su un 
piano» una figura che è stata utilizzata in 
varie opere dell'artista olandese M.C. 
Escher (si veda l'i f lustrazione a pagina 
49). 

Le tre specie possibili di spazio tridi- 
mensionale sono distinte da varie pro- 
prietà geometriche, alcune delle quali 
possono essere rappresentate nei modelli 
bidimensionali. Un piano privo dì curva- 
tura è ovviamente ia base della geome- 
tria di Euclide e per esso valgono tutti gli 
assiomi euclidei e i teoremi che si dedu- 
cono da essi. Su un piano può essere 
tracciata una e una sola retta che passi 
per un punto assegnato e sia parallela a 



46 



47 




una retta data; la somma degli angoli in- 
terni in un triangolo è sempre 180 gradi; 
la circonferenza di un cerchio è diretta- 
mente proporzionale al raggio e l*area di 
un cerchio è direttamente proporzionale 
al quadrato dei raggio. 

Sulla superficie di una sfera non esi- 
stono due rette parallele tra loro, quan- 
do per linea retta si intenda quella che 
collega due punti seguendo il cammino 
più breve. Linee cosi definite sono dette 
geodetiche- Sulla sfera le geodetiche so- 
no cerchi massimi e due qualsiasi dì loro 
si intersecano sempre. Inoltre su una sfe- 
ra la somma degli angoli interni in un 
l riangolo è sempre maggiore di 180 gra- 
di; la circonferenza di un cerchio cresce 
più lentamente del raggio e l'area di un 
cerchio cresce più lentamente del qua- 
drato del raggio. 

La superficie di una pseudosfera gode 
dì proprietà opposte a quelle della sfera, 
Per un punto assegnato possono essere 
tracciate infinite rette parallele a un'altra 
retta, o geodetica. La somma degli ango- 
li interni di un triangolo è minore di 180 
gradi. La circonferenza di un cerchio 
cresce più velocemente del raggio e l'area 
di un cerchio cresce più velocemente del 
quadrato del raggio. La geometria dello 
spazio tridimensionale rappresentato da 
una pseudosfera fu studiata per primo 
da Nikolai Lobachevski nel 1826. 

Nei semplici modelli cosmologici che 
trattiamo qui la geometria dello spazio è 
connessa in modo univoco al comporta- 
mento futuro dell 1 uni verso, È interessan- 
te osservare che nei modelli con Q mag- 
giore di l l'universo è chiuso sia spazial- 
mente sia temporalmente. Il volume del- 
lo spazio è finito e ci sono limiti tempo- 
rali definiti: dal big bang iniziale al big 
crunch finale, 1 modelli in cui Q è mino- 
re o uguale a I sono aperti sia nello 
spazio sia nei tempo. Tali modelli hanno 
un punto di inizio definito (il big bang), 
ma sono sempre infinitamente estesi e si 
sviluppano nel futuro. 

Misure di decelerazione 

Esistono vari metodi per cercare di 
determinare se l'universo fisico è apeno 
o chiuso. Tutti portano alla fine a una 
stima del tasso dì rallentamento dell'e- 



Alla geometria detto spazio caraneristica di 
ci use un modello di universo si può Tare corri- 
spondere una superficie bidimensionale analo- 
ga. Le proprietà delle superfici sima canille- 
ri/viiU' dagli assiomi e dai i coretti i di Euclide 
sulle linee parallele, sulla somma degli angoli 
interni di un triangolo e sulla misura della 
lunghezza della circonferenza e dell'area di un 
cerchi», Lo spazio piallo di un universo crìti- 
co è rappresentato da un piano, e lo spazio a 
curvatura positiva di un universo chiuso corri- 
sponde alla superficie di una % l'era. Alcune 
delle proprietà dello spazio a curvatura nega- 
tiva di un universo a peno possono essere di* 
mostrate per una superficie a forma dì sella, 
ma questa analogia è imperfetta, perché la 
sella ha un centro. La migliore rappresenta- 
/in ne di un universo aperto è una superficie 
infinita detta pseudosfera, che però non può 
essere costruita In uno spazio a Ire dimensioni. 



spansione cosmica. Un metodo consiste 
semplicemente nel misurare la decelera- 
zione direttamente, osservando galassie 
lontane, È pure possibile misurare l'età 
dell'universo, e da quella, per confronto 
col tempo di H ubbie {età in assenza di 
decelerazione), stimare di quanto è va- 
riata la velocità di espansione. Dal mo- 
mento che la decelerazione è un fenome- 
no gravitazionale, una misura equivalen- 
te è quella della densità media della ma- 
teria; confrontando la densità effettiva 
con la densità critica si ottiene il rappor- 
to G. Infine, l'abbondanza odierna di 
certi elementi chimici rappresenta una 
sorta di registrazione fossile delle condi- 
zioni, densità compresa, esistenti nelle 
primissime fasi dello sviluppo dell'uni- 
verso; anche da questa informazione è 
possibile calcolare il valore di Q. Le indi- 
cazioni che è possibile trarre da tutti 
questi metodi hanno contribuito a for- 
mare la nostra conoscenza attuale dello 
stato dell'universo. 

Solitamente la decelerazione dell'e- 
spansione cosmica è espressa in termini 
di una quantità adimensionale detta pa- 
rametro dì decelerazione indicato con 
q . Dato che ti rallentamento è un effet- 
to gravitazionale il parametro di decele- 
razione è strettamente connesso con la 
densità media della materia. Nei modelli 
cosmologici qui considerati, che sono co- 
struiti sulla base delia teoria generale 
delta relatività, q„ è sempre esattamente 
uguale alla metà del parametro dì densità 
Q, Pertanto se q è maggiore di 1/2» 
allora l'universo, a causa della sua eleva- 
ta densità, decelera abbastanza rapida- 
mente da smettere di espandersi, per poi 
collassare, Se q è minore di 1/2 L'espan- 
sione non può avere termine, perché la 
densità è troppo bassa per arrestarla. 

Un metodo ovvio per determinare il 
tasso di decelerazione consisterebbe nel 
misurare la componente radiale della ve- 
locità di una data galassia in due tempi 
diversi, cosi da stabilire di quanto è stata 
rallentata nell'intervallo tra le due misu- 
re. Purtroppo però la variazione di velo- 
cità prevista in periodi di durata compa- 
rabile a quella della vita umana è troppo 
piccola per essere misurala; infatti gli 
errori sperimentali connessi a tale misura 
superano di vari ordini di grandezza il 
valore previsto, D'altra parte, il fatto 
che la velocità della luce è finita permet- 
te di misurare velocità di galassie in un 
lontano passato e di confrontarle poi 
con velocità corrispondenti a epoche più 
recenti, Il confronto è realizzabile perché 
guardando oggetti sempre più distami 
nel cielo ci spingiamo anche sempre più 
indietro nel passato. La relazione è ovvia 
quando le distanze sono misurate in anni 
luce: se una galassia dista un miliardo di 
anni luce, allora la Luce che noi ricevia- 
mo oggi da essa è stata emessa un miliar- 
do di anni fa, e Lo spostamento Doppler 
nel suo spettro deve riflettere la velocità 
che la galassia aveva allora relativamente 
alla nostra velocità odierna. Pertanto, se 
l'espansione cosmica sta rallentando, ci 
si aspetta che la costanza del rapporto 
tra velocità e distanza scoperta da H ub- 
bie non valga per le galassie più lontane. 




la superficie di una pseudosfera è rappresentata in una silografia , Limite dei cerchio IV, di 
M.C. Escher. Nella xilografia la superficie e proiettata su un piano. Come accade nelle proiezio- 
ni cartografiche, la scala non è costante; sulla pseudosfera effettiva tutte le figure degli angeli e 
dei demoni avrebbero le slesse dimensioni. Se si prende una singola figura come unità di misura, 
appare chiaro che la circonferenza di un cerchio cresce molto più rapidamente del raggio, A uà* 
Ioga meni e, ogni figura definisce un triangolo (coi vertici iti corrispondenza dei piedi e delle 
esi remila delle ali): dui numero di triangoli che si incontrano in ogni vertice si può dimostrare 
che sulla pseudosfera la somma degli angoli interni di un (riangolo è minore di \W gradi. La 
pseudosfera è una superficie infinita a curvatura negativa, analoga allo spazio in un universo 
che si espande per sempre. In essa non c'è nessuna posi/ione privilegiata che possa essere presa 
come centro, e la proiezione rimarrebbe invadala se fosse centrata su qualsiasi altro punto. 



Alle distanze più remote tale rapporto 
dovrebbe aumentare» cioè, in altre paro- 
le, le velocità osservate dovrebbero essere 
maggiori di quelle che sono previste dalla 
legge di H ubbie. 

Per misurare la decelerazione con que- 
sto metodo è necessario avere una misu- 
ra indipendente delle distanze delle ga- 
lassie. Escludendo le galassie più vicine, 
Tunico metodo utilizzabile per valutare 
la distanza di una galassia si basa sulla 
sua Luminosità apparente. Se tutte le ga- 
lassie in tutti i tempi avessero la stessa 
luminosità intrinseca, allora la loro bril- 
lanza apparente sarebbe semplicemente 
proporzionale all'inverso del quadrato 
della loro distanza, e La determinazione 
di quest'ultima sarebbe immediata. Na- 
turalmente, esse non hanno tutte la stes- 
sa luminosità intrinseca. 

Variazioni casuali della brillanza (do- 
vute, per esempio, a diversità dì dimen- 
sioni) possono dar Luogo a errori nelle 
singole misure. A causa di tali variazioni 
bisogna accumulare una gran mole di 
dati e sottoporla ad analisi statistica; co- 



munque, in linea di principio, le varia- 
zioni di natura casuale non costituiscono 
un problema serio, perché ci si attende 
che si cancellino reciprocamente se si 
dispone di un campionamento abbastan- 
za vasto. Invece, Le variazioni di natura 
sistematica richiedono una correzione e- 
splicita per annullarne gli effetti, 

Le teorie sull'evoluzione stellare indi- 
cano che la luminosità combinata di tut- 
te Le stelle in una galassia isolata dimi- 
nuisce probabilmente di pochi centesimi 
in un miliardo di anni. Pertanto in un 
lontano passato le- galassie erano proba- 
bilmente più brillanti. Se questa varia- 
zione di brillanza fosse trascurata nell'e- 
seguire misure della decelerazione, le di- 
sianze calcolate sarebbero troppo pìccole 
e. a causa di ciò, il tasso di decelerazione 
sarebbe sovrastimato, La riduzione delia 
brillanza potrebbe sembrare molto mo- 
desta, ma essa cambia il valore calcolato 
del parametro di decelerazione q di cir- 
ca 1, cioè di una quantità più che suffi- 
ciente per decidere tra un universo aper- 
to e uno chiuso. Le migliori osservazioni 



48 



49 



di cui si dispone al momento attuate, 
nelle quali si tiene conto anche delle 
variazioni di luminosità intervenute nel 
tempo a causa dell'evoluzione stellare, 
suggeriscono concordemente che il vaio- 
re di q è più vicino a zero che a 1/2 e 
perciò che l'universo è aperto e in espan- 
sione perpetua. 

Un'altra incertezza di notevole impor- 
tanza pesa sulla determinazione della de- 
celerazione. La maggior pane delle ga- 
lassie osservate si trova raggruppata in 
ammassi relativamente densi, cosi che 
bisognerebbe tenere conto di possibili in- 
terazioni tra le galassie. Per esempio, è 
stato dimostrato recentemente che negli 
ammassi le galassie più grandi «inghioi- 
tono» le più piccole, con una conseguen- 
te variazione di luminosità e dimensioni. 
Non è ancora possibile valutare l'impor- 
tanza di tale cambiamento, né sapere 
con sicurezza se, a causa di ciò, la lumi- 
nosìtà misurata aumenta o diminuisce. 
Aggiungere stelle a una galassia dovreb- 
be renderla più brillante, ma in osserva- 
zioni cosmologiche si misura solo la lu- 
minosità della parte centrale della galas- 
sia. Se la galassia «cannibale» si dilata 
significativamente il numero di stette che 
verrebbero a occupare la regione centrale 
potrebbe risultare ridotto. Ne risultereb- 
be quindi che fa luminosità della galassia 
apparirebbe più debole. 



0J5 



L 'età dell'universo 

A causa delle incertezze statistiche e 
dell'incompletezza della nostra conoscen- 
za dell'evoluzione delle galassie, il valore 
di q dedotto dalle misure della velocità 
di allontanamento è molto incerto. Ba- 
sandosi solo su questo fattore non si può 
concludere che q è minore di 1/2 e l'u- 
niverso è aperto; sembra comunque che 
valori molto grandi di q , come q q ugua- 
le a 2, possano essere esclusi. 

Il secondo modo per determinare il 
destino dell'universo consiste nel misurar- 
ne l'età. Se Fes pan s ione non fosse rallen- 
tata, l'età sarebbe 1 uguale al tempo di 
H ubbie. Dato però che è rallentata, l'u- 
niverso deve avere un'età inferiore ai 
tempo di Hubble. Trovando la differen- 
za tra Petà effettiva e il tempo di Hubble 
è possibile in teoria calcolare il parame- 
tro di decelerazione di q . 

L'età dell'universo può essere valutata 
in due modi; entrambi forniscono solo 
limiti inferiori, poiché misurano le età di 
oggetti nell'universo, sebbene tali oggetti 
siano stati formati probabilmente entro 
il primo miliardo di anni dopo il big 
bang. Il primo metodo consiste nel de- 
terminare l'età delle stelle più vecchie 
tuttora osservabili. Si pensa che le stelle 
più vecchie abbastanza vicine da permet- 
tere osservazioni dettagliate siano quelle 




0,3 1 3 

DISTANZA (MILIARDI DI ANNI LUCE) 

La decelerazione dell'espansione cosmica può essere rivelata dalla conoscenza delle velocità di 
recessi » ne delle galassie in un lontano passalo, È possibile guardare nel passato osservando le 
galassie più disiami, infatti la luce che ci giunge oggi è stata emessa un numero di anni fa pari 
alla distanza della galassia misuriti» in anni Luce, La decelerazione è percepita come una devia- 
zione dalla legge di Hubble; infatti, se non ci fosse decelerazione il rapporto Ira velocita e di- 
stanza sarebbe costante (lìnea in nero); in presenza di decelerazione il rapporto cresce alte 
distanze più grandi {linea in colore). A eausa delle difficoltà che sono connesse alla valutazione 
delle disianze delle galassie non è stalo possibile misurare con precisione il lasso di decelerazio- 
ne, sono slati tuttavia esclusi valori del parametro di decelerazione maggiori o uguali circa a 2. 



che si trovano negli ammassi globulari 
associati alla nostra galassia. 1 modelli di 
evoluzione stellare indicano che hanno 
età comprese tra otto e 16 miliardi di 
anni. 

L'età può essere stimata anche da mi- 
sure dell'abbondanza relativa di certi ele- 
menti pesanti. Si ripiene che tutti gli ele- 
menti più pesanti del ferro, tra cui nu- 
merosi elementi radioattivi, siano stati 
sintetizzati nelle supernove, che proba- 
bilmente esplodono nella Galassia fin dal- 
ia sua formazione. Dato che ciascun ele- 
mento radioattivo decade con un tasso 
costante, il rapporto tra l'abbondanza di 
ogni elemento radioattivo e quella dei 
suoi prodotti di decadimento può dare 
indicazioni sull'età media degli elementi 
pesanti. I valori di questi rapporti sugge- 
riscono che l'età della Galassia è compre- 
sa tra sei e venti miliardi di anni. Le due 
età calcolate sono dunque compatibili e 
indicano che il big bang ha avuto luogo 
in un periodo compreso tra otto e di- 
ciotto miliardi di anni fa. 

Densità media 

11 fatto che una data età, compresa 
nell'intervallo permesso, corrisponda a 
un universo aperto o a uno chiuso dipen- 
de dal valore del tempo di Hubble, che, 
come abbiamo visto, non è di facile de- 
terminazione. Inoltre, anche se si assume 
che ti tempo di Hubble sia uguale alla 
migliore stima odierna di 19 miliardi di 
anni, né i limiti posti sull'età dell'univer- 
so, né l'esclusione dei valori di q mag- 
giori di 2 bastano per decidere se l'uni- 
verso è aperto o chiuso (si veda l'illustra- 
zione nella pagina a fronte). La questio- 
ne può essere risolta solo imponendo 
ulteriori limitazioni. 

Il terzo metodo consiste nel misurare 
la densità media dell'universo per ricava- 
re da essa il parametro di densità Q. È 
possibile ottenere un limite inferiore per 
la densità prendendo in considerazione 
solo la massa che é associata alle galassie 
visibili. La densità si ricava contando le 
galassie che si trovano in un dato volume 
di spazio, moltiplicando per La massa 
delle galassie e dividendo il risultato per 
il volume. 

La valutazione della massa contenuta 
in una galassia non è cosi difficile come 
potrebbe sembrare a prima vista. Poche 
galassie sono completamente isolate; la 
maggior parte è riunita in piccoli gruppi 
o in grandi ammassi, e le loro masse 
possono essere dedotte osservando gli ef- 
fetti della reciproca interazione gravita- 
zionale. Per esempio» due galassie in or- 
bita Puna intorno all'altra devono essere 
soggette a un'interazione gravitazionale 
capace di bilanciare la forza centrifuga. 
Se sono note la distanza reciproca e le 
loro velocità relative, la determinazione 
della loro massa combinata si riduce a 
un semplice esercizio di meccanica new- 
toniana. Il procedimento per ammassi 
composti da moke galassie è leggermente 
più complesso. La complicazione nasce 
essenzialmente dal fatto che La massa 
calcolata secondo questo metodo com- 
prende non solo la massa della materia 



V///////S. 



io 



z 
< 



12 



16 



20 



30 



APERTO 



ETÀ' TROPPO PICCOLA 



777P7777Z 



P 001 




CHIUSO 



I 



! 



f/ PARAMETRO DI 

O DECELERAZIONE fq ) 

K> TROPPO GRANDE 



0.01 



0,1 1 

PARAMETRO DI DENSITÀ" (fì) 



100 



\ktim li mi fa /in ni stilli» siuto dell'universo sono fornite dalla delermi- 
n azione della sua età e del parametro di decelerazione. Stime del reta 
delle stelle più vecchie e dell'età media degli elementi pesanti indicano 
che l'universo ha da otto a 18 miliardi di anni; le corrispondenti lìmi- 
i azioni poste sul tempo di Hubble dipendono dalla densità. Le osser- 



vazioni delle galassie lontane permettono di porre un limite superiore 
al parametro di decelera /io ne; esso non può essere maggiore di 2 e 
quindi il panimetm di densità non può essere maggiore di 4. Le li mi- 
la/ io ni dedotte da queste sole misure non permettono dì stabilire se 
l'universo esperto o chiuso essendo compatibili eoi due tipi di modelli. 



elle costituisce le galassie, ma anche la 
massa della materia che è presente nel- 
l'ani masM> sotto ogni altra forma. In tal 
modo si tiene conto automaticamente an- 
che di costituenti dell'universo che non 
sarebbero visibìli, come buchi neri o pol- 
vere e gas extragalattici , 

Le stime della massa di moltissime ga- 
lassie, combinate coi conteggi delle ga- 
lassie presenti in grandi volumi di spa- 
zio, danno un'indicazione de! valore del 
parametro di densità Q. Se la massa as- 
sociata alle galassie rappresentasse tutta 
la massa deiruniverso, allora Q varrebbe 
solo 0,04 e l'universo sarebbe aperto e 
destinato a espandersi per sempre» Su 
questo valore pesa un'incertezza pari a 



circa un fattore 3, così che valori di Q 
fino a 0,12 sono ancora compatibili con 
le osservazioni ; ma anche cosi siamo ben 
al di sotto del valore di 1 necessario per 
chiudere l'universo. 

La densità deiruniverso può essere sti- 
mata anche confrontando il comporta- 
mento delle galassie lontane con quello 
delle galassie che fanno parte del super* 
-ammasso locale, cioè del sistema di ga- 
lassie che comprende il nostro gruppo 
locale insieme con molti altri piccoli rag- 
gruppamenti e con l'ammasso della Ver- 
gine, che ha dimensioni un po' più gran- 
di. All'interno del super-ammasso locale 
la densità media delle galassie supera di 
circa due volte e mezza quella nell'uni- 



verso totale. Se tutta la massa è associata 
alle galassie, allora anche la densità me* 
dia della materia deve essere due volte e 
mezza più grande nel super-ammasso che 
al dì fuor» di esso. La differenza di den- 
sità dovrebbe produrre una differenza 
nel tasso di espansione; infatti, dato che 
la densità locale è maggiore, le galassie 
vicine dovrebbero essere maggiormente 
rallentate, L'effettiva importanza della 
diversità di decelerazione dipende dal va- 
lore di Q; se Q è grande ci sarà una dif- 
ferenza significativa tra le decelerazioni 
entro e fuori del su per -ammasso locale. 
Se Q è piccolo, allora il rallentamento è 
piccolo ovunque, e anche un incremento 
locale della densità pari a un fattore 2,5 



50 



51 





VALORE DEL PARAMETRO DI DENSITÀ' SE IL TEMPO DI HU8BLE É DM9 MILIARDI DI ANNI 


lft n °> 1 1 <> 




1 1 1 1 

ELIO 


10 2 


PROTONE DEUTERIO ELIO 
^ S S S ^ NEUTRONE 


10" 4 




10" S 




1tT fl 






\ DEUTERIO 


-io 


l i li 



10 



10 



10" 



10 



10 



28 



DENSITÀ' ATTUALE DELL'UNIVERSO (GRAMMI PER CENTIMETRO CUBO} 



La drnsità nelle prime fasi dell'universo influì sulla sintesi del deuterio e dell'elio, e dall'ab- 
bondanza relativa di quegli elementi si può ricavare la densità attuale, Si pensa che il deuterio 
si sia formato dalla fusione di protoni e neutroni net minuti successivi al big bang, ma, se la 
densità fosse stata troppo grande, la maggior parte o lutto il deuterio sarebbe slato trasformalo 
in elio, L'abbondanza di entrambi gli elementi è rappresentala come frazione (in termini di 
massa) di tutta la materia nell'universo. Se i modelli più semplici dell'universo primordiale sono 
corretti, e se il deuterio non è stato sintetizzato in eventi più recenti, l'abbondanza osservala 
indica come la densità dell'universo non possa superare il valore approssimato di 4x 10"" g/cm\ 



produrrà solo una piccola variazione. In 
effetti, la differenza non è rivelabile, 
essendo più piccola degli errori sperimen- 
tali probabili. La conclusione che si può 
trarre immediatamente è che Q ha un 
valore molto piccolo, verosimilmente non 
più grande di 0,1. 

Entrambi ì metodi per determinare la 
densità sono chiaramente limi lati alla 
materia associata alle galassie e si presta- 
no alla naturale obiezione che possano 
esistere nel l'uni verso quantità non tra- 
scurabili di materia sotto altra forma. 
Questa eventualità non può essere esclu- 
sa, ma non ci sono nemmeno prove a 
suo favore. 

Le teorie correnti indicano che gli am- 
massi di galassie si sarebbero formati in 
un universo in cui la materia era distri- 
buita molto più regolarmente di oggi. I 
residui lasciati dalla formazione delle ga- 
lassie sarebbero stati inglobati anch'essi 
negli ammassi. Pertanto tutte le particel- 
le che non sono negli ammassi devono 
essersi trovate in condizioni molto parti- 
colari, dovevano cioè possedere quelle 
speciali e insolite proprietà di posizione e 
velocità iniziali che permettessero loro di 
sfuggire all'attrazione degli ammassi. 
Anche se una grande quantità di materia 
fosse ancor oggi distribuita uniforme- 



mente fuori dagli ammassi, dovrebbe ca- 
dere entro a essi in pochi miliardi di 
anni. 

Alternativamente si potrebbe supporre 
che la massa necessaria per chiudere l'u- 
niverso risieda in qualche mezzo unifor- 
memente distribuito con una pressione 
interna sufficientemente elevata da ren- 
derlo praticamente insensìbile all'attra- 
zione gravitazionale delle galassie. Un 
mezzo con tali proprietà potrebbe essere 
composto, per esempio, da una grande 
quantità di neutrini o di onde gravitazio- 
nalL Si può però opporre una grave o- 
biezione all'esistenza di questo mezzo di 
tipo radiai ivo che pervaderebbe T univer- 
so: quasi certamente la sua presenza non 
avrebbe mai permesso che si formassero 
galassie e ammassi di galassie quali sono 
mostrati dalle attuali osservazioni. 

In teoria sì può determinare la densità 
di tutta la materia nell 1 universo, indipen- 
dentemente dal fatto che sia o meno as- 
sociata con le galassie, ma solo estrapo- 
lando dalle condizioni nell'universo at- 
tuale a quelle esistenti pochi minuti dopo 
il big bang. Le ipotesi più semplici che si 
possono avanzare su quell'antichissimo 
periodo suggeriscono che la temperatura 
e la densità dovevano essere abbastanza 
elevate da permettere a qualche particel- 



la subatomica di interagire e formare 
quantità apprezzabili di alcuni dei nuclei 
più leggeri. In particolare un protone e 
un neutrone potrebbero fondersi in un 
nucleo di deuterio, e la maggior parte dei 
nuclei di deuterio si combinerebbe per 
formare nuclei dì elio, composti da due 
protoni e due neutroni. La proporzione 
tra il deuterio e l'elio così sintetizzati 
dipende dalla densità dell'uni verso nel 
periodo in cui esso era abbastanza caldo 
da permettere la realizzazione di quelle 
reazioni. Dalla densità primitiva e dalla 
temperatura attuale della radiazione di 
fondo nelle microonde è possibile dedur- 
re la densità odierna. 

Densità primordiale 

Modelli matematici indicano che, va- 
riando la densità dell'universo primitivo 
su tutto l'intervallo dei valori accettabili, 
sì ottiene che la quantità di materia con- 
vertita in elio è compresa tra il 20 e il 30 
per cento. L'abbondanza dì elio misura- 
ta in tutta una serie di oggetti astronomi- 
ci conferma la validità di questo stretto 
intervallo, rendendo quindi plausibile l'i- 
potesi fondamentale che l'universo abbia 
attraversato un periodo in cui densità e 
temperatura erano estremamente elevate 
poco dopo il big bang. L'abbondanza 
attuale di deuterio è strettamente connes- 
sa alla densità primitiva (sì veda l'i /lu- 
strazione di questa pagina). L'abbondan- 
za relativa di deuterio nello spazio inter- 
stellare più vicino è stata misurata dal 
terzo satellite della serie OAO (Osserva- 
torio Astronomico Orbitante), chiamato 
Copernicus. Dopo aver tenuto conto del 
deuterio prodotto dalle reazioni nucleari 
nelle stelle, l'abbondanza misurata porta 
a una densità media attuale dì circa 
4xlO" JJ grammi per centimetro cubo. 
Questo tipo di osservazione consente dì 
valutare la densità con buona precisione: 
se l'universo fosse 10 volte più denso, il 
big bang avrebbe prodotto meno di un 
millesimo dell'abbondanza osservata di 
deuterio. Per questa ragione le incertezze 
che indubbiamente permangono sulla pre- 
cisione delle misure non portano a gran- 
di incertezze sulla densità stimata, 

11 fatto che la densità determinata dal- 
l'abbondanza del deuterio rappresenti un 
universo aperto o chiuso dipende dal 
tempo di Hubble. Come abbiamo visto, 
se il tempo di Hubble è pari a 19 miliardi 
di anni, la densità critica vale 5xl0' 30 
grammi per centimetro cubo, cosi che Q, 
il rapporto tra la densità effettiva e la 
densità critica, è circa 0,08, Per qualsiasi 
valore del tempo di Hubble compreso tra 
13 e 19 miliardi di anni, il valore di Q ri- 
cavato dall'abbondanza di deuterio è 
compatibile con quello ottenuto dalla 
densità delle galassie. Al contrario, per 
tutti i valori accettabili del tempo di 
Hubble, un valore di Q maggiore o circa 
uguale a 1 non è compatibile con la den- 
sità che è necessaria per sintetizzare il 
deuterio. 

L'abbondanza di deuterio sembrereb- 
be fornire prove particolarmente signifi- 
cative a favore di un universo aperto; 
purtroppo però gli argomenti che sosten- 



52 



Q 
(E 

< 



3. 12- 



x 
5 

£ 




0,1 1 

PARAMETRO DI DENSITÀ' (11) 



100 



L'esame combinalo di ulteriori limitazioni indica che l'universo comi* 
imeni a espandersi per sempre. L'abbondanza di dèWerio pone un 
limile superiore alla densità di lulta la materia dell'universo, e perciò 
limila anche N parametro di densità » anche se il valore numerico di 
tale limite dipende dal tempo di Hubble. In limile superiore per il 
tempo di Hubble stesso è fissato dalla slima delle età delle stelle e 



degli elementi pesanti. Infine, i calcoli sulla massa associata agli 
ammassi di galassie forniscono un limite inferiore al parametro dì 
densità, Escludendo complicazioni apparentemente poco probabili, 
i modelli plausibili giacciono entro un piccolo intervallo di valore del 
parametro di densità e del tempo dì Hubble {superficie cotoratah gli 
universi corrispondenti sono aperti, infiniti e in espansione perpetua. 



gono questa conclusione presentano del- 
le incertezze. Neil 'estrapolare dallo staio 
attuale dell'universo alle condizioni im- 
mediatamente successive al big bang si è 
faito uso del modello più semplice possi- 
bile; altri modelli potrebbero ammettere 
che le quantità osservate di elio e di deu- 
terio siano state sintetizzate in un univer- 
so molto più denso e chiuso. Tali modelli 
sono più complicati, anche un po' artifi- 
ciosi, ma non possono essere esclusi. I- 
noltre, l'importanza dell'abbondanza del 
deuterio dipende esclusivamente dall'ipo- 
tesi che tutto il deuterio presente nell'u- 
niverso sia stato prodotto subito dopo il 
big bang. Sono state proposte altre sor- 



genti, come le supernove, ma t'inora non 
è stato trovato nessun meccanismo capa- 
ce di sintetizzare una quantità significati- 
va dì deuterio senza violare altre restri- 
zioni. 

Modelli plausibili 

Le misure del parametro di decelera- 
zione, dell'età dell'universo, della densi- 
tà di galassie e dell'abbondanza di deute- 
rio pongono limitazioni indipendenti tra 
loro sullo stato dell'universo. Se i risul- 
tati delle misurazioni non sono contrad- 
dittori, deve esistere qualche classe di 
modelli dell'universo che soddisfi a tutte 



le condizioni poste. In effetti tale classe 
esiste ed è anche relativamente piccola, 
così da permettere interessanti previsioni 
sul futuro dell'universo (si veda t'illu- 
si razione di questa pagina). Se l'universo 
non è troppo vecchio e se la sua densità è 
almeno pari a quella osservata nelle ga- 
lassie, ma contemporaneamente non trop- 
po grande perché sia possibile la produ- 
zione del deuterio, il valore dì Q deve 
essere compreso tra 0,04 e 0,09, È cioè 
un valore molto minore di quello nchie- 
sto per un universo chiuso. 

Altre due osservazioni sono compati- 
bili coi valori permessi di Q e del tempo 
di Hubble. L'età calcolata per le stelle 



che formano gli ammassi globulari di- 
pende dall'abbondanza dell'elio, che, co- 
me abbiamo visto, dipende a sua volta 
dalia densità dell'universo, È perciò in- 
coraggiante trovare che l'età dell'univer- 
so e l'abbondanza dell'elio che risultano 
dalle restrizioni combinate sono compa- 
tibili con le conoscenze accumulate sulle 
stelle degli ammassi globulari. 

Le limitazioni richiedono anche che il 
tempo di Hubble stesso sia compreso tra 
13 e 20 miliardi di anni. La determina- 
zione diretta del tempo di Hubble è dif- 
ficile, ma negli ultimi anni Àllan R. San- 
dage e Gustav A. Tammann degli Hale 
Observatories hanno concentrato i loro 
sforzi sul problema. Il loro valore più 
probabile è 18 ± 2 miliardi di anni. Ro- 
bert P, Kirshner e John Kwan del Cali- 
fornia Instìtute of Technology hanno u- 
sato una tecnica diversa, che si basa sulle 
proprietà di stelìe che esplodono in ga- 
lassie lontane, per ottenere un valore in- 
dipendente del tempo di Hubble compre- 
so tra 13 e 22 miliardi di anni* 

La coincidenza di risultati ottenuti con 
metodi così diversi è soddisfacente e spin- 
ge ad avere fiducia nel modello cosmolo- 
gico considerato e nel destino dell'uni- 
verso così previsto. Comunque, a causa 
delle incertezze nei dati e nella teoria 
usata per interpretarli, è ancora possibile 
che questo accordo si riveli fortuito. 

Una previsione costante dei modelli qui 
considerati è che il parametro di decele- 
razione deve essere uguale alla metà del 
parametro di densità, e, come abbiamo 
visto., questa previsione non può ancora 
essere verificata. Se nel futuro si dovesse 
trovare che essja è errata, si dovrà fare 
ricorso a modelli cosmologici più com- 
plicati. Per esempio, una classe di mo- 
delli fa uso di una modifica della relati- 
vità generale suggerita in passato da Ein- 
stein, in cui viene introdotto un parame- 
tro detto costante cosmologica. In questi 
modelli è lo spazio stesso che genera una 
forza gravitazionale attrattiva o repulsi- 
va, e quindi la decelerazione non è più 
legata in modo semplice alla densità. 

Prese una per una tutte le limitazioni 
discusse permettono interpretazioni alter- 
native. In particolare, alcuni nostri colle- 
ghi non concorderebbero con la piccola 
densità derivata dalla stima della massa 
associata alle galassie, né con l'inseri- 
mento di una limitazione della densità 
basata sulla produzione dì deuterio, 1 
nostri argomenti e le nostre conclusioni 
poggiano però la loro credibilità sul fat- 
to che è possibile costruire un modello 
cosmologico interpretando ogni singola 
indicazione nel modo più semplice. E si- 
gnificativo che fattori così diversi come 
l'età delle stelle, la massa delle galassie, 
l'abbondanza degli elementi chimici e la 
velocità di espansione dell'universo os- 
servata ricevano tutti un'interpretazione 
naturale all'interno di uno dei più sem- 
plici modelli cosmologici. Questo model- 
lo descrive un universo di estensione in- 
finita che continuerà a espandersi per 
sempre. L'argomentazione a favore dì 
un universo aperto non è certo inoppu- 
gnabile, ma è fortemente sostenuta dal 
peso dell'evidenza sperimentale. 



ARMAMENTI 



Fin dai suoi primi numeri, LE SCIENZE, edizione italiana di 
SCIENTIFIC AMERICAN, ha dedicato al problema degli arma- 
menti importanti articoli che hanno fatto il punto, anno per anno, 
sulla situazione strategica e militare del momento: 



LA DINAMICA DELLA CORSA 
AGLI ARMAMENTI 

di G.W. Rathjens (ri. 10) 

Le decisioni degli USA e dellVRSS 
minacciano di distruggere la stabilirà 
del presente equilìbrio militare strale- 
gico: ciò può compromettere in modo 
gravissimo il già precario equilibrio in- 
ternazionale. 

TECNOLOGIA MILITARE E 
SICUREZZA NAZIONALE 

dì H.P. York (ri. 15) 

La polemica su$i ABM viene analiz- 
zata nel contesto di una più pasta pro- 
blema tic a: V inutilità della ricerca di in- 
novazioni tecnologiche per la soluzione 
di un problema che è essenzialmente 
politico. 

IL COSTO DEGLI 
ARMAMENTI NEL MONDO 

di A.S, Alexander fn. 17 J 

Un'indagine svolta dalla US Arm Con- 
trol and Dìsarmament Agency sui dati 
relativi a 120 paesi rivela un continuo 
aumento delle spese militari. Il tasso 
d'incremento è nettamente superiore a 
quello detta popolazione e del prodotto 
nazionale lordo. 

LA LIMITAZIONE DELLE 
ARMI STRATEGICHE 

di G.W, Rflilijens 

e G.B. Kìsrìakowsky {n. 19) 

Le prospettive a lunga scadenza dei col- 
loqui per la limitazione dei le armi stra- 
tegiche migliorerebbero di molto se si 
giungesse sollecitamente a un accordo 
per la proibizione di ulteriori esperimen- 
ti sui MIRV, 



LA LIMITAZIONE DELLE 
ARMI OFFENSIVE 

di H. Scoville jr< fn. 32) 

II miglior risultato che ci si può atten- 
dere dai colloqui per la limitazione del- 
le armi strategiche (SALT) è il conge- 
lamento delle forze offensive esistenti. 



L'AMPLIAMENTO DEL BANDO 
AGLI ESPERIMENTI NUCLEARI 

di H.R. Mycrs (n. 44) 

I progressi delle tecniche di rilevazione 
sismica per distinguere tra esplosioni a 
tornir he sotterranee e terremoti naturali 
rendono possibili i negoziati sull'amplia- 
mento del bando agli esperimenti. 

IL GRANDE DIBATTITO 
SUL BANDO DEGLI 
ESPERIMENTI NUCLEARI 
di H.F. York (n. 54) 

II corsa degli eventi in fatto di armi 
tende a confutare le tesi sostenute una 
decina dì anni fa contro la messa al 
bando limitata degli esperimenti nuclea- 
ri e a indicare che forse i tempi sono 
maturi per un bando completo. 

RICOGNIZIONE E CONTROLLO 
DEGLI ARMAMENTI 
di T, Greenwood (n. 57) 

I satelliti da ricognizione sono il prin- 
cipale strumento mediante il quale sia 
USA che URSS intendono verificare il 
vicendevole rispetto degli accordi SALT 
L L'importanza di questo e dì altri si- 
stemi ai fini dei SALT lì 



STRATEGIA E 
ARMI NUCLEARI 

di BJE. Carter (n, 72) 

Il potenziamento della * capacità di con- 
troforza » proposto dal governo ameri- 
cano è non solo inutile e costoso, ma 
può anche provocare una nuova corsa 
aéi armamenti. 



IL CONTROLLO 
INTERNAZIONALE DEL 
DISARMO 

di A. Myrdal (n. 77) 

La necessità di un ente autonomo delle 
Nazioni Unite che garantisca il rispetto 
degli accordi sul disarmo è maggiormen- 
te sentita nella attuale situazione di sta- 
si delle conversazioni a <;! vertice ». 



54 



55 



Le risorse 
della percezione binoculare 

Studi con stereogrammi che cambiano a caso rivelano che il sistema 
percettivo estrae dai dati visivi le informazioni sulla profondità e il 
movimento ancora prima che noi siamo consci di ciò che vediamo 

di John Ross 



Quando guardiamo con entrambi 
gli occhi i vari oggetti dello spa- 
zio tridimensionale, il nostro si- 
stema visivo non si limita a fondere sem- 
plicemente le due immagini retiniche, ma 
fa molto di più, È noto che la percezione 
binoculare della profondità dipende dal- 
le differenze tra queste due immagini. 
Essa, oltre a dimostrarsi molto sensibile 
alle differenze relative di posizione, esi- 
bisce una notevole attitudine a prendere 



decisioni. Il sistema visivo, in effetti, 
costruisce le scene tridimensionali par- 
tendo dalle immagini bidimensionali for- 
matesi sulle retine, adattando queste in- 
formazioni visive in uno schema concet- 
tuale. Gli interrogativi che possiamo 
proporci al riguardo sono numerosi; tra i 
più importanti ne ricordiamo due: quali 
capacità di elaborare i messaggi si trova- 
no nella percezione binoculare? Quali 
sono le risorse a disposizione di queste 



capacità di elaborare P in formazione? 
Con l'invenzione dello stereoscopio, 
fatta da Charles Wheatstone nel 1938, 
divenne possibile avere risultati tridimen- 
sionali con due fotografie di una scena 
scattala da punti lievemente diversi. Lo 
stereoscopio presenta una fotografia al- 
l'occhio destro, e l'altra all'occhio sini- 
stro. Quando le due immagini sono guar- 
date contemporaneamente, esse sì com- 
binano e formano una scena tridimen- 





specchjo 





VOLTO 
PERCEPITO 



SPECCHIO 



W 



SPECCHIO 



^ 




SPECCHIO 



OSSERVATORE 



Combinando binocularmente due \olli diversi si olitene una curiosa 
fusione, spesso con un chiaro miglioramento delle loro caraneristiche. 
Gli specchi sono disposti in modo che l'occhio sinistro vede il volto di 
sinistra e l'occhio destro quello di destra. Quando un volto è quello di 



un uomo e l'altro è quello di una donna si ottengono et letti fuori dat 
comune. Questa fusione selettiva delle curati cri ti iene, propria della 
comhi nazione li in oculare, indica che il sistema visivo ha evidentemen- 
te la capacità dì accettare o di rifiutare informa/ioni su basi estetiche. 



sionale. Dato che ciascun occhio vede 
un'immagine completa, i primi studiosi 
della percezione binoculare della profon- 
dità credettero che questa risultasse dal 
combinarsi delle due immagini monocu- 
lari (o, almeno, che dipendesse dal rico- 
noscimento delle caratteristiche percepi- 
bili anche con un solo occhio). 

Altri studiosi, invece, non accettarono 
T ipotesi della combinazione delle singole 
immagini. Nel 1887 À«L. Austin di In- 
vercargill, in Nuova Zelanda, comunicò a 
Charles Darwin una curiosa scoperta che 
aveva fatto: «Per quanto lei non mi co- 
nosca, e per quanto viva sull'altra faccia 
della Terra, mi prendo la libertà di scri- 
verle dì una mia piccola scoperta riguar- 
do la visione binoculare nello stereosco- 
pio, Se prendiamo due comuni fotogra- 
fie formato tessera con due volti diversi 
(i ritratti siano circa delle stesse dimen- 
sioni) e le poniamo in uno stereoscopio, 
si ha la fusione del tutto straordinaria in 
un volto unico; con ì tratti di alcune si- 
gnore, in ogni caso, si produce un deciso 
miglioramento della bellezza». 

Darwin passò la lettera a Francis Gal- 
ton, il quale confermò le osservazioni dì 
Austin, Galton era anche a conoscenza 
di un matematico piuttosto eccentrico 
che aveva combinato, in uno stereosco- 
pio, due sue fotografie: «una di esse - ri- 
ferì Galton - lo riproduceva con un'aria 
ausi era, l'altra con un sorriso, e questa 
combinazione portava a una curiosa e 
forte fusione delle due fotografie». Gal- 
ton non era tuttavia convinto che questo 
fenomeno potesse essere spiegato con la 
combinazione delle singole immagini; 
egli pensava infatti che la percezione bi- 
noculare dì due volti differenti dovesse 
essere diversa da una vera combinazione 
ottica dei volti. 

Possiamo anche avere un effetto ana- 
logo quando due volti reali sono guarda- 
ti con un sistema di specchi che dirige 
l'immagine di un volto all'occhio sini- 
stro, e quella dell'altro all'occhio destro 
(sì veda l'illustrazione neiia pagina a 
fronte). Quanto vorrei fare notare a que- 
sto punto è che la combinazione binocu- 
lare rivela qualche facoltà critica nel si- 
stema visivo che, apparentemente su basi 
estetiche, è capace di prendere decisioni 
e di respingere informazioni. 

I vantaggi della percezione binoculare 
sono stali dimostrati nella loro inte- 
rezza da Bela Julesz, dei Bell Laborato- 
ries, con i suoi stereogrammi con punti 
disposti a caso. Per mezzo di un calcola- 
tore egli ha creato degli insiemi casuali di 
punti che, guardati con uno stereosco- 
pio, si combinano per formare delle sce- 
ne tridimensionali. Quando i medesimi 
stereogrammi sono invece guardali con 
un occhio, si vede una tessitura distribui- 
ta completamente a caso, senza che si 
riesca a cogliere delle forme particolari. 
Julesz ha dimostrato in modo decisivo 
che è possibile avere percezione binocu- 
lare della profondità anche senza indizi 
monoculari riconoscibili. 

Nel nostro laboratorio alla University 
of Western Australia, John H. Hogben e 
io, in stretta collaborazione con Monte 



GENERATORE 
DI NUMERI CASUALI 



CALCOLATORE DIGITALE 



CONVERTITORE 
ANALOGICO-DIGITALE 



CONVERTITORE 
ANALOGICO-DIGITALE 



OSCILLOSCOPIO 



OSCILLOSCOPIO 





INTERRUTTORE 



OBIETTIVO C 



CONTROLLO 
DI POSINONE 



^J* 





^H^ 



In questa illustrazione è mostrato, schema ti cernente, un sistema di generazione di stereogrammi 
con punir disposti completamente a caso mediante calcolatore. Un generatore di numeri casuali 
emette le coordinate per i punti luminosi da presentare, e un calcolatore aggiunge delle 
informazioni di prò fondita al il usso continuo di punti, I punti compaiono brevemente in coppie 
sugli oscilloscopi. Per ciascun punto sullo schermo di sinistra c'è un punto corrispondente sullo 
schermo di destra. L'osservatore vede migliaia di putiti luminosi che compaiono e scompaiono a 
caso- Nonostante il fatto che la scena cambi di continuo, il sistema visivo è capace di mette* 
w assieme le coppie di punti dei due schermi. L'osservatore percepisce il tutto come una 
singola scena avente una chiara profondità, con oggetti che si ergono liberi nello spazio. 



56 



57 








Le informazioni spaziali sono aggiunte per mezzo di uno spostamento 
orì/zonlaie dei punti appartenenti alle regioni che debbono essere 
viste in profondità. Per creare un quadrato centrale che si solle- 
va, ad esempio, i punti sono spostati a destra nell'immagine di 
sinistra e a sinistra nell'immagine di desini {in alto). Dove si ha una 



sovrapposizione di punti, i punti dello sfondo sono eliminati dal cai* 
colatore, Nelle aree vuote che si hanno come conseguenza dello spo- 
st amen lo, invece* sono aggiunti punti disposti a caso. Per creare 
Teff etto di una superfìcie più lontana, i punti sono spostati a sinistra 
nell'immagine di sinistra e a destra nell'immagine di destra (in basso). 



Sala» un ingegnere elettronico» abbiamo 
elaboralo un sistema basato su calcola- 
tori aventi maggiori possibilità di quello 
di Julesz, ma sempre con stereogrammi 
di punti disposti a caso. Il terminale del 
nostro sistema consiste di un paio di 
oscilloscopi in cui possono venire pre- 
sentati dei punti e che sono otticamente 
separati: uno è quindi visto dall'occhio 
destro e l'altro dall'occhio sinistro. 1 
punti luminosi sono esposti per brevi 
tempi e in coppia, uno sull'oscilloscopio 
di destra e uno su quello di sinistra. 
Ciascun occhio dell' osservatore vede una 
rapida successione di punti luminosi, o~ 
gnuno dei quali è indipendente dai punti 
precedenti e da quelli successivi. Quando 
l'osservatore chiude un occhio, tutto 
quello che vede è uno sciame di punti 
luminosi che sembrano muoversi sull'i n- 
tero schermo quadrato, come la «neve» 
che appare sullo schermo di un comune 
televisore. 

La sequenza dei punti luminosi non è 
preparata in anticipo, né viene ripetuta- 
Un generatore di numeri casuali proget- 
tato a questo scopo produce coppie di 
coordinate per i punti che vengono di- 
sposti sulla griglia 256 x 256 degli scher- 
mi degli oscilloscopi. Ciascun punto lu- 
minoso è così generato a caso. 

À questo flusso continuo di punti ven- 
gono aggiunte delle informazioni dì pro- 
fondità per mezzo di un calcolatore che 



controlla quanto viene emesso. Il calco- 
latore ha un programma della scena da 
rappresentare. Appena viene intercettato 
un punto , il calcolatore determina l'e- 
ventuale spostamento nella sua posizio- 
ne. I principi alla base di questo sposta- 
mento sono gli stessi della stereoscopia 
classica, I punti che appartengono a una 
superficie vicina sono spostati a destra 
nel campo dell'occhio sinistro, Per rap- 
presentare i punti di una superfìcie lon- 
tana si fa il contrario, Quanto è maggio- 
re lo spostamento dei punti, tanto è 
maggiore la profondità che viene perce- 
pita. Per assicurare una distribuzione 
uniforme di punti nelle regioni in cut lo 
spostamento crea una sovrapposizione, il 
calcolatore elimina ì punti dello sfondo. 
Nelle regioni in cui, di contro, lo sposta- 
mento crea un vuoto, ti calcolatore ag- 
giunge dei punti. 

Consideriamo ciò che deve fare il si- 
stema visivo per giungere, in queste cir- 
costanze, a un percetto binoculare. Mi- 
gliaia di punti compaiono e scompaiono 
a caso. Per ciascun punto visto da un 
occhio, l'altro occhio deve scegliere il 
punto con il quale è accoppiato. Inoltre, 
due punti che abbiano subito uno spo- 
stamento nelle posizioni reciproche deb- 
bono essere interpretati come un singolo 
punto, non come due punti differenti 
visti da occhi differenti. Infine, se una 
superficie deve essere vista in profondità 



come una forma con contorni ben defi- 
niti, il sistema visivo deve essere in grado 
di riconoscere tutti i punti appartenenti a 
quella forma come aventi una disparità 
comune. 

Un osservatore con visione stereosco- 
pica normale, dopo un breve periodo di 
adattamento, vede quanto avviene sugli 
oscilloscopi come una scena in profondi- 
tà. Con la pratica, l'intervallo di tem- 
po richiesto per arrivare a un percetto 
tridimensionale diminuisce fino ad an- 
nullarsi. Quando si vede per la prima 
volta una scena prodotta da stereogram- 
mi con punti disposti a caso si prova una 
sensazione strana, Gli oggetti si ergono 
liberi nello spazio, ben chiari e delimita- 
ti. Vediamo un semplice caso» Una re- 
gione quadrata at centro del video è spo- 
stata dal cai colatore in modo tale che 
nell' oscilloscopio di destra i punti del 
quadrato centrale sono spostati a sini- 
stra, e nell'oscilloscopio di sinistra sono 
spostati a destra. Quando l'osservatore 
guarda con un occhio uno degli insiemi 
stimolanti, vede solo una massa di punti 
luminosi che si muovono su uno sfondo 
scuro. Quando guarda entrambi gli in- 
siemi con i due occhi, invece, la scena 
cambia in modo spettacolare. Al centro 
dell'immagine si vede un quadrato che 
ondeggia davanti allo sfondo, Il quadra- 
to è come un pezzo di plastica scura sul 
quale vanno e vengono i punti luminosi. 



Per quanto l'insieme dei punti della su- 
perficie muti di continuo, il quadrato dà 
l'impressione di essere solido e immute- 
vole. Il quadrato solido, in realtà, non 
esiste, ma è stato costruito dalla perce- 
zione binoculare per dare una spiegazio- 
ne alle informazioni che sta ricevendo 
dai punti disposti a caso degli stereo- 
grammi. 

C'è qualcos'altro, nella scena binocula- 
re, che colpisce l'osservatore dopo 
un momento di riflessione: i punti lumi- 
nosi entro al piccolo quadralo sono co- 
me bloccati sulla sua superficie. Va ri- 
cordato che quando si guarda il tutto 
con un occhio, i punti si spostano sullo 
schermo in modo completamente unifor- 
me. Ora, con la visione binoculare, alcu* 
ni punti sono sollevati rispetto allo sfon- 
do e non oltrepassano mai il confine del 
loro nuovo territorio; sembra invece che, 
arrivati agli orli del quadrato, rimbalzi- 
no, Ciò significa che il sistema visivo 
attribuisce un significato funzionale agli 
orli costruiti dal processo binoculare, e 
che è impedito lo spostamento attraverso 
questi orh: non si può cioè «saltare» da 
un livello di profondità a un altro. Inol- 
tre, nel caso in cui la percezione mono- 
culare entri in conflitto con Ì costrutti bi- 
noculari, i percetti monoculari vengono 
soppressi. 

Nei nostri esperimenti non si è trovato 
un limite superiore alla velocità con cui 
la percezione binoculare riesce ad affron- 
tare l'entrata delle coppie di punti. Il 
nostro calcolatore può produrre fino a 
30 000 coppie di punti al secondo, velo- 
cità che è affrontata facilmente dal siste- 
ma visivo, Noi abbiamo un sistema otti- 
co che arriva a emettere 250 000 coppie 
di punti al secondo, e anche con questi 
valori la percezione binoculare non dà 
segno di essere caricata da un numero di 
informazioni eccessivo per le sue possibi- 
lità. È ovvio che un limite superiore deve 
esserci, perché quando la velocità di e- 
missìone è sufficientemente elevata lo 
schermo viene inondato di luce. Anche 
in questo caso, la limitazione può tro- 
varsi a livello ilei recettori retinici, più 
che a livello delle capacità di elaborare i 
messaggi da parte dei meccanismi che 
servono a confrontare l'entrata dei due 
occhi. 

C'è, invece, un limite inferiore al di 
sotto del quale l'informazione giunge a 
una velocità troppo bassa per mantenere 
la percezione di forme in profondità. 
Tale limite varia a seconda della com- 
plessità della scena presentata e della 
grandezza dei dettagli della scena. Per 
singole forme di grandezza ragionevole il 
limite è di circa 2000 coppie dì punti al 
secondo. Al di sotto di questo valore i 
punti possono ancora sembrare a distan- 
ze diverse, ma non è più visibile la forma 
e non ci sono contorni ben definiti. 

La percezione binoculare, degli stereo- 
grammi con punti distribuiti a caso, è 
capace di costruire scene molto comples- 
se: è solo necessario che la velocità dì 
emissione dei dati sia abbastanza elevata 
per manter ;re la scena. Si può allora 
facilmente percepire fino a una strati- 



ficazione di 10 piani posti a distanze 
diverse. II calcolatore ha anche la pos- 
sibilità di presentare stimoli che sono 
visti come superfici inclinate. 

Nel caso in cui siano programmate 
due superfici in una medesima zona, ci si 
potrebbe aspettare di avere il caos, ma 
non è così. Metà dei punti luminosi sono 
visti su una superficie anteriore e metà 
su una superfìcie che sta dietro. Ecco 
quindi risolto, e in modo elegante, il 
problema di rendere visibili entrambe le 
superfici: la superficie anteriore sembra 
trasparente e l'altra sembra opaca. Ciò 
dimostra che la percezione binoculare 
riesce a cogliere i rapporti spaziali in 



modo intuitivo e tale da trascendere la 
pura e semplice geometria. 

Come si è detto, i costrutti della perce- 
zione binoculare controllano il movimen- 
to apparente impedendo dì oltrepassare i 
contorni e di saltare in regioni con pro- 
fondità diverse. Ci siamo allora chiesti: è 
possibile far si che una figura sembri 
avvicinarsi o allontanarsi rispetto all'os- 
servato re? Abbiamo modificato il pro- 
gramma del calcolatore in modo tale che 
la disparità dei punti sulla superficie del- 
la figura cambiasse continuamente. Am- 
messo che il cambiamento non sia troppo 
rapido o troppo lento, l'osservatore per- 
cepisce effettivamente una figura che si 




Le limitazioni temporali della percezione binoculare si sono studiate anche presentando il flusso 
di punii al rocchio sinistro in un dato momento, e al rocchio destro con un certo ritardo, (Quan- 
do il ri lardo ira le due immagini è inferiore ai 50 millisecondi {in aito), le figure sono viste in profon- 
dità. Quando il ritardo supera i 50 millisecondi, l'impressione di profondità viene meno Un basso). 



SÌ 



59 



muove senza alterare la sua struttura. La 
figura cioè mantiene la forma e i suoi 
contorni rimangono solidi, continuando 
a controllare e a bloccare il movimento 
apparente dei punti contenuti nella figu* 
ra stessa. Con un movimento in avanti e 
in dietro della figura non si perde quindi 
la percezione della profondila. 

C'è un limite alla disparità spaziale 
che può essere introdotta negli stereo- 
grammi. Una disparità troppo grande dà 
luogo a immagini doppie, per quanto 
non necessariamente a una caduta com- 
pleta del senso di profondità- Hogben e 
io abbiamo voluto determinare se ci fos- 
se stato un limite temporale, oltre a quel- 
lo spaziale. In altre parole, potevamo 
presentare una serie di punti a un occhio 
e, un poco più tardi, la serie di punti 
corrispo nd ent i ali * alt ro occh i o con t i n u a n - 
do ad avere una fusione binoculare? 

A tale fine abbiamo introdotto un ri- 
tardo alla serie di punti, sempre disposti 
a caso, destinati a uno degli occhi. I 
punti per rocchio sinistro venivano quin- 
di presentati in un certo momento, men- 
tre quelli per rocchio destro venivano 
presentati successivamente. Entrambi gli 
oscilloscopi ricevevano punti con la me- 
desima velocità ed entrambi gli schermi, 
guardati monocularmente, sembravano 
identici; il flusso di punti su uno scher- 



mo veniva però dopo» come se fosse 

partito più tardi. 

Consideriamo il problema che la per- 
cezione binoculare, in queste circostanze, 
si trova di fronte. Due punti giungono 
nello stesso momento» uno per ciascun 
occhio, ma sono completamente indipen- 
denti l'uno dall'altro, e non portano 
quindi informazioni sulla disparità. Altri 
punti arrivano alla velocità di 10 al milli- 
secondo. Sarebbe impossibile mettere as- 
sieme le coppie di punti, a meno che non 
si abbia un qualche tipo di registrazione 
delle migliata di punti visti. Per di più, 
questa registrazione deve essere estrema- 
mente fine se vogliamo utilizzarla per 
trovare l'esatta disparità tra coppie di 
punti. 

Secondo i nostri risultati > la percezio- 
ne binoculare può tollerare un ritardo di 
circa 50 millisecondi (un ventesimo di 
secondo), ma non di più. Con un poco 
di pratica gli osservatori riescono a vede- 
re delle forme in profondità e a identifi- 
carle riho a quando il ritardo tra i punti 
è al di sotto dei 50 millisecondi. Se è più 
lungo anche di pochi millisecondi, Firn- 
press ione di profondità viene meno e 
non si vede più alcuna forma. Il ritardo 
tollerabile varia un poco, da soggetto a 
soggetto, intorno al valore dei 50 millise- 
condi, ma è costante per ogni soggetto. 



Dai risultati di questo esperimento 
possiamo trarre due importanti conclu- 
sioni. La prima è che la percezione bino- 
culare è soggetta a limitazioni sia tempo- 
rali sia spaziali. La disparità temporale 
deve essere contenuta entro un intervallo 
di 50 millisecondi, cosi come la disparità 
spaziale non deve oltrepassare una certa 
distanza. La seconda conclusione, che si 
può trarre dall' esperi mento, è che la 
percezione binoculare deve incorporare 
un qualche genere di memoria visiva ca- 
pace di mantenere, per almeno 50 mil- 
lisecondi, una fine registrazione delle po- 
sizioni di migliaia di punti. 

Nelle condizioni del nostro esperimen- 
to, tuttavia, per poco che vediamo un 
punto luminoso, esso rimane visibile per 
circa 130 millisecondi. Questo valore può 
essere determinato in vari modi: per e- 
sempio, contando semplicemente tutti i 
punti visibili in ogni istante su una pic- 
cola porzione dello schermo. Jl problema 
sta quindi nello spiegare perché il limite 
di tempo per il confronto binoculare è 
più breve del tempo in cui il punto rima- 
ne visibile. Se un punto è ancora visto da 
un occhio, perché non riusciamo ad ac- 
coppiarlo a un secondo punto che com- 
pare all'altro occhio? Prima di passare 
a considerare questo paradosso, vediamo 
qua! è il ruolo della percezione binocula- 




OCCHIO SIMSTRO 

OCCHIO DESTRO 

Quando si segue con lo sguardo un oggetto in movimento, si creano nislro vedrà l'albero the si trova nello sfondo, ina rocchio destro non 

differenze temporali nella entrala di informa/ioni visive ai due occhi, lo vedrà che nel momento t 2 . L'occhio sinistro, nel frattempo, si è spo- 

se gli occhi convergono su un oggetto, per esempio un uccello che si stato m avanti e ora è puntalo sul palo del telefono. Nel momento t> 



sposla verso destra, l'occhio sinistro vede gli elementi dello sfondo 



rocchio destro incontra ìl palo, mentre rocchio sinistro vede la casa. 



prima dell'occhio destro. Per esempio, nel momento r, l'occhio si- I a situazione risulta invertita per le cose che si trovano in primo piano. 

60 



re nel seguire oggetti che si spostano 
lateralmente. 

Quando fissiamo gli occhi su un ogget- 
to, questo forma immagini in posi- 
zioni corrispondenti delle due retine. Gli 
oggetti più lontani o più vicini di Quello 
fissato formano immagini in posizioni 
differenti per ciascuna retina, dando così 
luogo a quella disparità che sta alla base 
della percezione stereoscopica della pro- 
fondità. Quindi, in qualunque momento 
gli occhi hanno un'immagine differente 
sia dello sfondo sia del primo piano, ma 
un'immagine identica dell'oggetto fissa- 
to. Se l'oggetto si sposta e lo seguiamo 
con lo sguardo, ciascun occhio mantiene 
la medesima immagine dell'oggetto, ma 
ora incontra anche gli stessi elementi del- 
lo sfondo e del primo piano in momenti 
diversi (si veda ì'iiiusiraziorte nella pagi- 
na a fronte). Se lo sguardo segue un og- 
getto che si sposta verso destra, l'occhio 
sinistro incontrerà ciascuna parte dello 
sfondo prima dell 'occhio destro- La si- 
tuazione si inverte per quanto riguarda il 
primo piano: l'occhio destro, cioè, in- 
contrerà ciascun particolare del primo 
piano prima dell'occhio sinistro. 

Sono riuscito a riprodurre, con gli 
stereogrammi di punti disposti a caso, 
l'informazione visiva che si ha quando 
seguiamo con lo sguardo un oggetto mo- 
bile. Oltre a tutto, questi stereogrammi 
eliminano qualsiasi indizio monoculare 
riguardante sìa l'oggetto sia lo sfondo o 
il primo piano. Al fine di determinare se 
le differenze temporali che si verificano 
nel seguire un oggetto in movimento 
hanno un ruolo nella percezione binocu- 
lare, il calcolatore era programmato per 
presentare la figura esattamente nello 
stesso momento su entrambi gli schermi. 
1 punti al di fuori di questa figura erano 
presentati a un occhio immediatamente, 
e all'altro con un piccolo ritardo (si veda 
i 'il lustrazione in questa pagina). Non vi 
è disparità spaziale negli stereogrammi. 
Tutti j punti sono ordinati esattamente 
nella stessa posizione su entrambi gli 
schermi. 

L'osservatore vede la figura in pro- 
fondità, cosa che non ci sorprende dato 
che l'area della figura è presentata con- 
temporaneamente a entrambi gli occhi, 
mentre lo sfondo non lo è. Quanto ci 
sorprende è che l'area attorno alla figura 
è percepita come sfondo o come primo 
piano, e che nel primo caso si sposta in 
una direzione mentre nel secondo caso si 
sposta nella direzione opposta. 

Se i punti luminosi della zona esterna 
alla figura raggiungono prima l'occhio 
sinistro, lo sfondo si sposta da destra 
verso sinistra, come se la figura scivolas- 
se sullo sfondo andando da sinistra verso 
destra. Se i punti raggiungono prima 
l'occhio destro, lo sfondo si sposta da si- 
nistra verso destra. In entrambi i casi la 
parte che sembra più vicina a noi, cioè il 
primo piano, si muove in direzione oppo- 
sta a quella in cui si muove lo sfondo. Ef- 
fettivamente, sfondo e primo piano pos- 
sono combinarsi nel dare la forte impres- 
sione di un cilindro in piedi che ruota at- 
torno al suo asse verticale, mentre la nò- 




immagine sinistra 












MILLISECONDI 









■v^ 


— 10 — 








— 20 — 








— 30 — 






IMMAGINE DESTRA 


— 40 — 








— 50 — 








— 60 — 








— 70 — 








— 80 — 








— 90 — 




gS 




■ 100 




V 


— 110 — 






aa °*™ 


— 120 








— 130 — 






IMMAGINE DESTRA 



IMMAGINE SINISTRA 



Le differenze temporali nell'entrata d'informazioni che si hanno quando gli occhi seguono un 
oggetto mobile possono essere riprodotte per mezzo di stereogrammi dinamici con punti disposti 
a caso, I punti luminosi dell'area centrale sono presentati contemporaneamente a entrambi gli 
occhi, ma rocchio destro vede i punti dell'area circostante dopo un piccolo ritardo. Per 
esempio, l'occhio sinistro vede ,4. ed S, mentre quello destro vede Ai e una tessitura circostante 
differente (S D ). Cento millisecondi più tardi l'occhio sinistro vede A t0fS ed 5 lM mentre quello 
destro vede A t0 o ed 5,. Non c'è disparità spaziale: entrambi gli occhi vedono lutti i punti esat- 
tamente nella stessa posi/ione. 11 ritardo temporale tra i due occhi, tuttavia, crea un effetto dì 
profondità e di movimento analogo a quello illustralo nella figura della pagina successiva. 



stra figura si trova nel mezzo del cilindro. 

Un effetto analogo possiamo ottenerlo 
anche, molto alla buona, sintonizzando 
il televisore su un canale privo di pro- 
grammi e adattando il contrasto in modo 
da avere un buon «effetto neve». Met- 
tiamo poi davanti a un occhio un filtro 
scuro o una lente per occhiali da sole, e 
guardiamo lo schermo con entrambi gli 
occhi. Il filtro o la lente degli occhiali 
ritarda 1* in formazione ricevuta da quel- 
l'occhio, e riusciremo cosi ad avere l'ef- 
fetto del cilindro che ruota. La neve 
andrà in una direzione di fronte allo 
schermo e t dietro di questo, nella dire- 
zione contraria. Quando mettiamo la 
lente scura davanti all'altro occhio, la 
direzione del movimento si inverte. 

Nel nostro esperimento c'erano due 
indicazioni di profondità in conflitto tra 
di loro: la disparità che deponeva per 
una scena statica, e il ritardo che depo- 
neva per un movimento continuo. Con 
ritardi al di sotto dei 50 millisecondi si 
vede la scena statica, ma con ritardi al di 
sopra di 70 millisecondi si aveva un ri- 
sultato dì movimento. Ritardi tra i 50 e i 
70 millisecondi portavano a continue o- 
sci Ilazioni tra un effetto di movimento e 
un'impressione di staticità, 

I risultati dimostrano che la perce- 
zione binoculare può sintonizzarsi con 



diverse fonti di informazione presentì in 
una data situazione. Per ritardi al di 
sotto dei 50 millisecondi si impone una 
disparità spaziale. Per ritardi dì 70 milli- 
secondi e, riteniamo, fino a 2 secondi, le 
differenze temporali danno luogo alla 
percezione di un movimento continuo e 
in profondità. 

In altre circostanze, ritardi inferiori ai 
millisecondo, dell'ordine dei 160 mi- 
crosecondi, sono sufficienti per dare una 
chiara indicazione dì profondità. David 
Burr e io lo abbiamo dimostrato con 
delle sequenze stroboscopiche che danno 
1* illusione dì un movimento omogeneo. 
Ciascun occhio vede la medesima sequen- 
za, ma c'è una differenza di fase tra le 
sequenze osservate dai due occhi. Questa 
differenza di fase è colta dall' osservatore 
e interpretata come una indicazione di 
profondità. 

Ora riteniamo che la visione abbia due 
modi ugualmente efficaci di trattare gli 
oggetti in movimento. Possiamo cogliere 
la disparità spaziale istantanea per deter- 
minare la profondità, o possiamo coglie- 
re la differenza di fase con cui gli ogget- 
ti, nei due occhi, si muovono nei con- 
fronti di punti di riferimento comuni. 
Vale a dire che la visione, nei confronti 
delle informazioni che riceve, può adot- 



61 



tare uno di due atteggiamenti percettivi. 
Nel mondo reale i percetii che risultano 
da questi diversi atteggiamenti sono ge- 
neralmente coerenti tra di loro, ma in 
condizioni sperimentali, come La nostra, 
la scena può variare a seconda dell'atteg- 
giamento. 

Torniamo ora al paradosso per cui un 
punto luminoso che rimane visibile per 
130 millisecondi non può essere accop- 
piato con un secondo punto, se questo 
compare con un ritardo di più di 50 
millisecondi. Evidentemente, in questo 
caso possiamo vedere qualcosa, ma non 



riusciamo a utilizzare le informazioni. 
D'altro lato, quando dei ritardi tempo- 
rali più lunghi portano a vedere un mo- 
vimento, stiamo ovviamente utilizzando 
delle informazioni su una massa di punti 
che sono già scomparsi. Ciò significa che 
deve essere mantenuto un qualche genere 
di registrazione visiva per un tempo mag- 
giore di 130 millisecondi. In parole di- 
verse, quando si segue con lo sguardo un 
movimento laterale, le registrazioni delle 
informazioni in entrata sono mantenute 
olire i limiti di tempo della visibilità. 
Ritengo si debba concludere che la 



e--, 



x 



x 






Quando negli stereogrammi con punti disposti a caso sono introdotti dei ritardi temporali, sì 
ottiene un effetto di profondità e di movimento (come sì è già accennato nella il lustrazione della 
pagina precedente). La figura è vista come un oggetto solido, [/area circostante è tuttavia 
percepita sia come sfondo sia come primo piano (in alto). ! punti luminosi del primo piano si 
spostano in una direzione e quelli dello sfondo si spostano nella direzione opposta, facendo sem- 
brare che la figura si sposti verso destra, ti primo piano e lo sfondo possono combinarsi per dare 
l'impressiono di un cilindro in posizione verticale che ruota attorno alla figura un basso}. 



percezione binoculare ha accesso a regi- 
strazioni di dati visivi che sono indipen- 
denti da ciò che vediamo. Questo rap- 
presenta una rottura radicale con quanto 
si ritiene comunemente: e cioè che quello 
che vediamo sia alla base di tutti i dati 
sensoriali sui quali i processi percettivi 
superiori elaboreranno poi una idea della 
scena che abbiamo davanti agli occhi. 
Sembra che vi siano delle registrazioni di 
dati visivi che si possono consultare pri- 
ma che riusciamo a vedere qualsiasi cosa, 
e ciò al fine di stabilire uno schema 
appropriato entro cui fare entrare il ri- 
sultato percettivo. 

Quando abbiamo di fronte stereogram- 
mi con punti disposti a caso, ciascun 
occhio guarda uno stereogramma distinto 
ma non «vediamo») due stereogrammi, Il 
nostro percetto binoculare è il risultato 
delle differenze spaziali e temporali pre- 
senti negli stereogrammi. Le fini discre- 
panze tra le due vedute debbono essere 
registrale separatamente e molto accura- 
tamente. Non sappiamo né cosa siano 
queste registrazioni, né quanti memoriz- 
zatori separati vi siano, né quale sia la 
loro base fisica. Alcuni fenomeni visivi 
particolarmente problematici (come il 
movimento apparente, il mascheramento 
visivo e ìa percezione della simmetria) 
possono essere considerati assieme am- 
mettendo che la percezione» prima che 
noi siamo in grado di percepire, deve 
servirsi dell'analisi di registrazioni visive 
indipendenti. 

Alcune capacità delia percezione bino- 
culare (per esempio, allineare due imma- 
gini di grandezza diversa o riconoscere 
che un'intera regione ha un valore co- 
mune di disparità) sono spiegate assai 
elegantemente dai modello della perce- 
zione stereoscopica proposta da Julesz. 
Ma altre capacità di selezione, di analisi 
e di sintesi (come la percezione di un 
volto idealizzato), e quelle che ci fanno 
cogliere le differenze temporali debbono 
ancora essere spiegate. 

Un indirizzo lo possiamo avere nel 
fatto che le forme rese visibili dalla com- 
binazione binoculare di punti ordinati a 
caso sono maggiormente idealizzate delle 
forme reali. Le configurazioni quadrate 
sono quadrali più perfetti, e con contor- 
ni più perfetti di qualsiasi quadrato rea- 
le. Sono come la forma platonica di un 
quadrato. Ciò che osserviamo in questi 
stereogrammi con pumi distribuiti a caso 
possono bene essere delle concezioni i- 
dealizzate, imposte al flusso esterno di 
informazioni da un qualcosa che è nel 
nostro sistema visivo. Ciò che osservia- 
mo può essere una struttura imposta dalla 
visione nel momento in cui la si sintoniz- 
za con le fonti di informazione che riesce 
a cogliere. Cosi come un calcolatore ha ti 
suo programma, il sistema visivo può 
avere un programma di adattamenti per 
le forme nello spazio e nel tempo. Quello 
che vediamo è un 'interpretazione del 
mondo esterno, ordinata entro uno sche- 
ma di riferimento che il sistema visivo 
impone a causa dell'atteggiamento che 
adotta. In altri termini, per comprendere 
il mondo noi adottiamo un atteggiamen- 
to percettivo. 



62 



I piccoli calcolatori elettronici 

L 'elemento di base dei calcolatori tascabili è un chip microelettronico. 
I circuiti realizzati sul chip e i componenti a essi associati formano 
un sistema di elaborazione dell'informazione notevolmente sofisticato 

dì Eugene W. McWhorter 



Nei cinque anni trascorsi dall'in- 
vasione del mercato da parte 
dei calcolatori elettronici tasca- 
bili milioni di persone hanno avuto la 
gradevole esperienza di vedere, mostrato 
dalFindicatore, il risultato dì un'opera- 
zione come 953,22 per 14,331 nello stes- 
so istante in cui era stato premuto il 
tasto «uguale». Sembra però quanto me- 
no prudente affermare che solo pochi di 
coloro che hanno apprezzato una tate 
abbreviazione dei tempi ed espansione 
delle capacità di calcolo possiedono più 
di una vaga conoscenza di ciò che accade 
all'interno del calcolatore. È risaputo che 
i processi che si svolgono in un calcola- 
tore elettronico tascabile si compiono in 
un piccolo chip microelettronico (cioè in 
una piastrina che per la sua piccolezza 
viene chiamata appunto «chip» ovvero 
«scheggia)»), ma non è altrettanto noto 
come l'organizzazione logica e te proce- 
dure numeriche siano co (legate con que- 
sti processi. 

Sia per quanto riguarda le origini, sia 
per i principi operati vi il piccolo calcola- 
tore elettronico è uno sviluppo diretto 
dei calcolatori elettronici «da ufficio» e 
«professionali da tavolo». Circa dieci an- 
ni fa un tipico calcolatore a quattro fun- 
zioni (addizione, sottrazione, moltiplica- 
zione e divisione) di quel genere incorpo- 
rava centinaia di circuiti integrati micro- 
elettronici separati e costava diverse cen- 
tinaia di dollari. Alcuni lungimiranti tec- 
nici dell'industria elettronica prevedevano 
tuttavia che un giorno gli stessi concetti 
sarebbero stati incorporati in. macchine 
tanto piccole, semplici ed economiche da 
riuscire a conquistare un mercato di mas- 
sa. Già nel 1965 presso la Texas Instru- 
ments Incorporated erano in corso studi 
su un calcolatore tascabile sperimentale 
a quattro funzioni basato su un circuito 
integrato singolo. Nel 1967 venne rila- 
sciato un brevetto per questo dispositivo. 

La storia della tecnologia dei semicon- 
duttori è stata contrassegnata da incre- 
menti regolari e perfino prevedibili nella 
complessità dei circuiti integrati, uniti a 
riduzioni di costo in pratica di tutti i 
componenti allo stato solido» inclusi i 
diodi a emissione di luce che, nella mag- 



gior parte dei calcolatori, presentano i 
numeri. Questo andamento evolutivo è 
stato spesso interpretato come it risultato 
di una «curva di apprendimento» deter- 
minata dal l'esperienza acquisita nel cor- 
so di una produzione di volume conti- 
nuamente crescente. In ogni modo verso 
it 1970 divenne possibile alloggiare l'inte- 
ra logica di base del calcolatore su un 
solo chip di costo inferiore a 100 dollari 
e realizzato con la tecnologia dei semi- 
conduttori a ossido-metallo. Nel giro di 
un anno questa tecnologia dava origine a 
una nuova generazione di piccoli calco- 
latori a quattro funzioni. Una macchina 
tipica aveva un circuito integrato singo- 
lo» che eseguiva tutte le funzioni di cal- 
colo con l'ausilio di alcuni circuiti secon- 
dari. 

Dei nuovi calcolatori alcuni erano ta- 
scabili e alimentati a batteria mentre altri 
erano macchine compatte da tavolo, ali- 
mentate dalla rete a corrente alternata. 
La loro caratteristica più importante era 
il prezzo (notevolmente inferiore a 200 
dollari), che poneva i dispositivi nella fa- 
scia superiore del mercato di massa. Og- 
gigiorno F industri a è avanzata lungo la 
curva di apprendimento di circa cento 
milioni di unità e la gamma dei prezzi si 
estende decisamente al di sotto dei 20 
dollari con il risultato che per milioni di 
persone l'aritmetica di tutti i giorni non 
sarà mai più la stessa, 

piccoli calcolatori stanno subendo 
un'evoluzione così rapida e con sofi- 
sticazioni tanto differenziate che nessuna 
spiegazione del loro funzionamento sa- 
rebbe valida per tutti i tipi. Ciò nono- 
stante è possibile spiegare i loro principi 
di funzionamento prendendo come esem- 
pio un ipotetico calcolatore a quattro 
funzioni costruito intorno a un tipico 
chip reale. Il chip non è l'ultima parola 
nel campo dei dispositivi mieroeleit rom- 
ei, ma è abbastanza rappresentativo dei 
circuiti integrati che sono tuttora impie- 
gati dall'industria elettronica. È un chip 
semiconduttore a ossido-metallo con in- 
tegrazione su larga scala, il che significa 
che su un quadrato di cinque millimetri 
di lato sono realizzati migliaia di compo- 



nenti attivi e passivi: transistori, resisten- 
ze e diodi. Esso è dotato di 28 terminali, 
secondo lo standard dell'industria ed è 
alimentato con tensioni di circa sette volt. 
Il suo funzionamento è sincronizzato da 
un segnate alla frequenza di 250 chilo- 
hertz, cioè 250 000 cicli al secondo forni* 
to da un clock (orologio campione), sot- 
to forma di impulsi a intervalli di tempo 
regolari. Poiché chip analoghi sono stati 
già descritti in dettaglio in questa rivista 
(si veda l'articolo La tecnologia a metal- 
lo-ossido-semiconduttore di William C. 
Hattinger in «Le Scienze» n, 64, dicem- 
bre 1973), non ci si soffermerà qui sulla 
loro struttura fisica. 

Oltre al chip, il calcolatore ha diversi 
altri componenti, alcuni visibili e altri 
no. Fra i primi quelto che più attira 
l'attenzione è la tastiera per inserire le 
cifre e le istruzioni. Altri componenti 
sono il sistema di presentazióne, il cir- 
cuito oscillatore che genera il segnale di 
sincronismo, un regolatore di tensione 
per l'alimentazione, una serie di batterie 
ri caricabili e una custodia in plastica. 

1 28 terminali del chip possono sem- 
brare troppo pochi per ricevere e tra- 
smettere tutte le informazioni che il chip 
stesso può trattare. Il motivo per cui 
sono sufficienti può essere spiegato nel 
modo migliore prendendo anzitutto in 
considerazione il sistema di presentazio- 
ne del calcolatore. Se sj osserva con at- 
tenzione la cifra S quando è illuminata si 
vede che essa è costituita da sette seg- 
menti: tre nella parte superiore, tre in 
quella inferiore e uno al centro. Qualun- 
que altra cifra, dallo al 9, come pure il 
segno meno e uno qualunque dei vari 
simboli occorrenti per indicare errore o 
eccesso di capacità, può essere realizzata 
con meno di sette segmenti (ri veda l'il- 
lustrazione alle pagine 66 e 67). Ogni 
segmento è un diodo LED, o diodo a 
emissione dì luce, di forma allungata, in 
pratica un piccolo frammento di mate- 
riale semiconduttore con due terminali. 
Un ottavo diodo forma il punto decima- 
le (che nella simbologia anglosassone ha 
il significato della nostra virgola), che 
può essere illuminato alla destra di ogni 
cifra. 



IL nostro ipotetico calcolatore possiede 
una fila di nove gruppi di otto diodi 
LED, per un totale di 72 diodi. 1 primi 
otto gruppi della fila, contando da de- 
stra, forniscono la presentazione delle 
otto cifre corrispondenti alla capacità del 
calcolatore, mentre il nono gruppo, l'ul- 
timo a sinistra, serve per il segno meno, 
il punto decimale più a sinistra e i sim- 
boli di errore e di eccesso di capacità. Un 
diodo emette luce quando entrambi i 
suoi terminali sono alimentati, con il 
catodo a una tensione positiva rispetto 
all'anodo, 

I 28 terminali del chip hanno anche la 
funzione di trasmettere gli ingressi dalla 
tastiera, ti calcolatore ha 18 interruttori 
a pulsante e 2 a cursore (oltre all'inter- 
ruttore di accensione) ciascuno dotato di 
due terminali. La pressione esercitata su 
uno dei pulsanti o chiavi della tastiera 
chiude l'interruttore corrispondente, 

II problema di collegare fra loro 72 
diodi LED e 20 interruttori tramite il 
chip e i suoi 28 terminali viene risolto nel 
modo seguente, La tastiera è collegata in 
effetti al chip tramite quattro terminali 
di ingresso solamente, indicati con N, O, 
P t e Q. 1 segmenti delle cifre costituiti 
dai diodi LED sono collegati al chip tra- 
mite otto terminali di uscita, indicati con 
lettere minuscole da a a h. A ogni istante 
il chip interagisce con non più di un in- 
terruttore per ogni linea di ingresso dalla 
tastiera e fa illuminare non più di uno 
dei nove gruppi di diodi. Ciò è reso 
possibile dall'esistenza dì ti lìnee di scan- 
sione, cioè dì esplorazione, indicate con i 
numeri da 1 a 11: le lince di scansione 
hanno origine al chip collegandolo sia 
alla tastiera sia all'indicatore digitale. 

Un dispositivo temporizzatore nel chip, 
sincronizzato dal segnale proveniente dal 
clock principale, alimenta una linea di 
scansione alla volta con un segnale im- 
pulsivo di tensione; la linea, normalmen- 
te alla tensione di massa, si trova duran- 
te l'impulso a una tensione positiva. Gli 
impulsi di tensione durano solo 132 mi- 
crosecondi (pari a 33 cicli del clock prin- 
cipale), Un intervallo di sei cicli separa 
due successivi impulsi di scansione: un 
intero ciclo di scansione (durante il quale 
ogni lìnea di scansione viene alimentata 
una volta) dura quindi 429 cicli del clock, 
ovvero circa 1,7 millisecondi, 

In quale modo le linee di scansione 
possono controllare 72 diodi LED tra- 
mite le otto uscite di segmento? Ciascu- 
na delle nove linee dì scansione da l a 8 



Un chip microelei ironico esegue le funzioni di 
calcolo di un calcolatore tascabile, La foto- 
grafi* in allo mostra il chip quadrato, di cin- 
que millimetri di lato, montato nella sua cap- 
sula di ceramica, sezionala per mostrare il 
chip. Il chip è collegalo tramile 28 terminali 
con le altre parti del calcolatore. La micro- 
fotografìa in basso mostra il chip ingrandito 
17 volte. Il chip con la capsula, costruito dalla 
Texas Instruments Incorporai ed 1 costituisce 
un circuito integrato avente migliaia di fun- 
zioni elettroniche. Fra gii elementi strutturali 
del chip si riconosce, nell'arca rettangolare in 
basso al centro, la memoria a sola lettura. 




64 



65 



oltre alla linea 1 1 fornisce un ingresso a 
un circuito amplificatore e invertitore di 
corrente, esterno ai chip principale, de* 
nominato pilota di cifra, Ciascun pilota, 
quando attivato da un impulso di scan- 
sione, fornisce una via verso massa, ca- 
pace di una elevata densità dì corrente, a 
tutti gli otto anodi di un gruppo di diodi 
LED. Pertanto la cifra che si trova in 
una certa posizione può essere illuminata 
per ogni ciclo di scansione solo durante 
il tempo in cui è attivata ta corrispon- 
dente linea di scansione. 

La particolare cifra presentata in un 
certo istante in una cena posizione e de- 
terminata da quali degli otto terminali di 
uscita dì segmento risultano attivati du- 
rante un impulso di scansione. Ogni u- 
scita dì segmento controlla un circuito 
esterno amplificatore di corrente detto 
pilota di segmento. Ogni pilota di seg- 
mento è connesso al catodo dei nove 
diodi LED montati nella stessa posizione 
in ciascuno dei nove gruppi indicatori. 
L'attivazione di un pilota di segmento 
collega i nove catodi corrispondenti al 
polo positivo dell'alimentatore. La cor- 
rente scorre allora da questo particolare 
pilota di segmento attraverso l'unico dio- 
do LED il cui anodo è collegato a massa 
tramile un pilota di cifra. 

Un esempio chiarirà il funzionamento 
di questa disposizione: si supponga che 
siano attivi la linea di scansione 2 e le 
uscite aòcdgh* Sul l 1 indi cai ore compare 
(per 132 microsecondi) la cifra «3» nella 
seconda posizione da destra. La linea di 
scansione e l'indicazione vengono disat- 
tivati mentre nei 24 microsecondi succes- 
sivi cambiano le uscite di segmento da 
attivare per indicare la cifra seguente a 
destra. Si supponga che la nuova confi- 
gurazione sia abedef: sull'indicatore ap- 
parirà nella prima posizione a destra «0», 
per 132 microsecondi (mentre la linea di 
scansione / è attiva). Malgrado che cia- 
scuna delle cifre sia illuminata per circa 
l'otto per cento dei tempo, la frequenza 
di accensione è così elevata che l'occhio 
vede indicato nelle ultime due posizioni a 
destra un «3.0» senza sfarfallamento, 

Vediamo ora in quale modo le lìnee di 
scansione possono trasmettere i segnali 
provenienti dai 20 interruttori della ta- 
stiera agli appena quattro terminali di 
ingresso corrispondenti del chip. Ogni 
interruttore fornisce Punica connessione 
possibile fra una data lìnea di scansione 
e una data linea di ingresso. À ogni 
istante i segnali di ingresso possono esse- 
re ricevuti solo dagli interruttori collegati 
alla linea di scansione che è attivata nello 
stesso istante (per la linea / sì tratta degli 
interruttori catena/costante, del seiettore 
decimale, della chiave «moltiplicare» e 
della chiave «1»), Un interruttore di que- 
sto gruppo che risulti chiuso quando vie- 
ne attivata la particolare linea di scansio- 
ne trasmette l'impulso alla corrisponden- 
te linea di ingresso. 

Il chip principale, alla ricezione di un 
impulso su una linea di ingresso dalla ta- 
stiera, rileva quale Linea di scansione è 
attiva in quell'istante e quindi decifra 
quali dei vari interruttori che potrebbero 
essere chiusi sulla lìnea dì ingresso stessa 



sono effettivamente chiusi» Cosi durante 
un intero ciclo di scansione il calcolatore 
«giudica» ogni interruttore una volta. In 
questo modo i segnali provenienti dai 20 
interruttori della tastiera vengono inol- 
trati con la tecnica della divisione di 
tempo ad appena quattro ingressi del 
chip principale. 

Anche quando il calcolatore sta sola- 
mente presentando un numero, in attesa 
del successivo comando, il chip principa- 
le è attivo e segue la propria «procedura 
passiva» in fase con gli impulsi del clock 
principale. Durante tale procedura il chip 
esplora con continuità la tastiera e l'indi- 
catore mentre le uscite di segmento ven- 
gono attivate e disattivate secondo ritmi 
precisi che originano una presentazione 
apparentemente stabile. 

Oltre a mantenere la presentazione du- 
rante la procedura passiva, il chip deve 
elaborare i segnali dì ingresso provenien- 
ti dalla tastiera. Durante la procedura 
passiva è in attesa di un segnale o sull'in- 
gresso N (che lo connette a tutti i pulsan- 
ti o chiavi di cifra) o sull'ingresso O 
(connesso a tutti i pulsanti o chiavi di 
operazione). Quando su una di queste 
linee si presenta un impulso, il chip deve 
innanzitutto controllare che il segnale 
non sia soltanto un «rumore» casuale: il 
calcolatore verifica tale circostanza non 
tenendo conto del segnale ricevuto fin 
quando non ha verificato che il segnale è 
ancora presente alla fine del periodo di 
scansione successivo. Inoltre se una linea 
di scansione indica che sono chiusi e una 
chiave dì cifra e una chiave di operazio- 
ne, il chip tiene conto sempre del solo 
segnale di operazione. 

Mentre il chip elabora un segnale di 
cifra o un segnale di operazione, ignora 
ulteriori ingressi eventualmente presenti 
sulle linee N e O r ma continua sempre a 
controllare le linee P e Q per rilevare la 
presenza di istruzioni relative alla posi- 
zione del punto decimale e al tipo di cal- 
colo (catena o costante), 

Un chip può completare un'operazio- 
ne anche prima che l'operatore rilasci il 
pulsante che ha avviato l'operazione me- 
desima. Ciò significa che lo stesso co- 
mando non deve essere azionato più di 
una volta. Perciò il chip, prima di ri- 
prendere la procedura* passiva, verifica 
che tutti i pulsanti siano stati rilasciati. 

Da quanto precede risulta evidente che 
il calcolatore compie un numero di ope- 
razioni ben superiore alte semplici addi- 
zione, sottrazione, moltiplicazione e di- 
visione, essendo in realtà un sistema di 
processo dell'informazione multi ruolo di 
notevole sofisticazione. La chiusura degli 
interruttori e la presentazione sono ope- 
razioni importanti, ma ciò che consente 
air ipotetico calcolatore di funzionare so- 
no Tarchìteitura, o organizzazione logi- 
ca, e gli algoritmi o procedure numeri- 
che. Nell'illust razione a pagina 71 sono 
schematizzati i sottosistemi elettronici più 
importanti facenti parte del chip princi- 
pale. Nel seguito verranno descritti i com- 
piti della maggior parte dei sottosistemi e 
sì accennerà al modo in cui questi ese- 
guono un semplice calcolo. 

Il cuore del sistema, per quanto con- 



cerne il funzionamento, è Taddizionato- 
re-sottrattore, chiamato in genere sem- 
plicemente addizionatore, che opera su 
numeri espressi in codice binario. Nel 
codice numerico binario puro ogni bit, o 
cifra binaria, rappresenta una potenza di 
2. Un numero binario, per esempio 
10010, sì legge nel modo più semplice da 
destra verso sinistra: il primo bit indica 
la presenza di 1 , il secondo la presenza di 



2, il terzo la presenza di 4 e così via. La 
notazione binaria 10010 quindi rappre- 
senta la codificazione di un numero in 
codice decimale composto da nessun 1, 
un 2, nessun 4, nessun 8 e un 16: in altre 
parole il numero decimale è + 2 + 
+ + 16 cioè 18. 

Il nostro ipotetico calcolatore impiega 
una variante di questo sistema conosciu- 
to come notazione BCD (binary-coded- 



-decimal, cioè decimale codificata bina- 
ria). Nel sistema BCD ogni cifra di un 
numero decimale è rappresentata da un 
codice binario puro di quattro bit. Quin- 
di il numero 97 in codice BCD è 1001 
0111. La cifra 1 è rappresentata da una 
tensione più alta e la cifra da una ten- 
sione più bassa; nel sistema non esistono 
tensioni intermedie. 
Quando deve essere eseguila una ope- 



razione di somma o di differenza, all'ad- 
dizionatore vengono presentati due nu- 
meri interi in codice BCD sotto forma di 
una coppia di cifre a quattro bit per vol- 
ta, cominciando dalle cifre meno signifi- 
cative. Per esempio, se si vuole sommare 
56 a 43, che sono espressi in codice BCD 
rispettivamente da 0101 01 10 e 0100 001 1 1 
le cifre a destra (ossia 0110 e 001 1) vengo- 
no presentate per prime all'addizionatore. 




Nello schema sono riportati i circuiti delta 
tastiera e dell'indicatore esterni al chip princi- 
pale, rappresentalo dal quadrato in basso al 
centro. Tramite questi circuiti, il chip comuni- 
ca con 20 internino ri della tastiera e con 72 



i a emissione di luce (LED) tramite solo 21 dei suoi 28 terminali. 
Nella matrice formata dalle 11 lìnee di scansione e dalle quadro lince 
di ingresso dalla tastiera, ciascuno del 44 incroci è una possibile 
ubicazione per un interruttore. Per questo calcolatore sono necessari 
solo 20 interruttori^ Quando è in funzione, le linee di scansione sono 



alimentate cìclicamente, una alla volta, per un intervallo di 132 
microsecondi, cosicché le cifre Illuminate nell'indicatore vengono 
presentate con un impercettibile sfarfallamento. Una cifra è realizzata 
con un massimo di 7 diodi LED, che sono tulli illuminati quando viene 
presentata la cifra olio. Un ottavo diodo serve per il punto decimale. 



66 



67 



SIGNIFICATO DB NUMERI 



PRIMO ADDENDO 0835 

SECONDO ADDENDO 0974 

5 

4 

SOMMA 9. RIPORTO 

3 

7 

BINARIO PUROTQ 

CORREZIONE 6 

SOMMA 0, RIPORTO 1 

8 

9 

BINARIO PURO 18 

CORREZIONE 6 

SOMMA 8, RIPORTO 1 



SOMMA 



1809 



POSTI NEL REGISTRO 



MI- 
GLIAIA 



0000 
0000 



1 

1 

0001 



CEN- 
TINAIA 



1000 
1001 







1 

1000 

1001 



0010 
0110 



1000 



1000 



DECfNE 



0011 
0111 




0011 
0111 



1010 
0110 



0000 



0000 



UNITA' 



0101 
0100 

0101 

0100 



1001 



1001 



FASI DUftANTE L'ADDIZIONE IN UN PASSO NELL'ADDIZIONATORE 



NUMERI IMMAGAZZINATI NEI REGISTRI D! OPERANDO E DI INDICATORE 
CHE DEVONO ESSERE SOMMATI IN UN PASSO NELL'ADDIZIONATORE 



: 

: 



SOMMA DELLE QFRE MENO SIGNIFICATIVE 

LA SOMMA BINARIA NON É MAGGIORE DI 9 E QUINDI VIENE 
TRASFERITA NELL'ACCUMULATORE MENTRE IL RIPORTO VIENE 
IMMAGAZZINATO IN UN LATCH INTERNO 

SOMMA DELLE DUE CIFRE SUCCESSIVE E DEL RIPORTO 



LA SOMMA BINARIA É MAGGIORE DI 9 E QUINDI VIENE AGGIUNTA 
LA CORREZIONE 6 IN BCD 

IL RIPORTO VIENE IMMAGAZZINATO NEL LATCH E LA SOMMA NEL 
REGISTRO DELL'ACCUMULATORE 



SOMMA DELLE DUE CIFRE PIÙ SIGNIFICATIVE E DEL RIPORTO 



LA SOMMA BINARIA E MAGGIORE DI 9 E QUINDI VIENE AGGIUNTA 
LA CORREZIONE 6 

LA SOMMA FINALE E IL RIPORTO VENGONO TRASFERITI NEL 
REGISTRO DELL'ACCUMULATORE 



SOMMA RNALE NEL REGISTRO DELL'ACCUMULATORE 



Uà esempio dì addizione mostra come ì numeri in codice decimale 835 
e 974 vengono addizionati da un calcolatore. Il calcolatore opera su 
numeri in codice BCD {binar? coded decimai) nei quali ogni cifra del 
numero decimale è espressa con quadro cifre binarie. Per esempio il 5 
di 835 è espresso come 0101, che letto da destra significa un l, nessun 
2 e un 4. Ogni gruppo di quattro bit è tuttavia sommalo necessaria- 
mente in codice binario puro. Cosi 3 (0011) più 7 (OHI) dà Induci a 
1010, che esprime il numero 10 in codice binario puro, ma che non ha 



significato in BCD. Pertanto alla rete addizionai rice BCD viene forni- 
to un secondo addendo per sommare 6 (01)0) a qualsiasi somma 
maggiore dì 9 espressa in binario puro per convertirla in codice BCD. 
In questo caso il numero espressi in binario puro 10 (1010), una volta 
Nominatogli 6 (0110), dà il binario puro lo illKHHh, che è interpretato 
correttamente in codice BCD come 10O0O, ovvero 10. Due corre/ioni 
BCD di questo tipo sono necessarie in questo esempio mentre il 
calcolatore tascabile esegue ['opera/ione di sommare 835 e 974, 



registro può scorrere in un senso o in 
quello opposto rispetto a quelli contenuti 
negli altri registri. Infine un ingresso ai 
circuiti di avviamento è riservato a una 
cifra sintetizzata da altri circuiti del bloc- 
co di controllo; si tratta del percorso 
lungo il quale una cifra decodificata da 
un ingresso dalla tastiera può essere av- 
viata attraverso il sistema dei registri. 

I circuiti di decodificazione, di tempo- 
ri zzazion e e di controllo, che posso- 
no essere chiamati nel loro insieme il re- 
golatore, regolano il funzionamento di 
tutti gli altri sottosistemì del chip. Le sue 
funzioni sono governate essenzialmente 
da una o l'altra delle 320 parole di istru- 
zione (ciascuna costituita da 1 1 bit) for- 
nite al registro di istruzione (e da questo 
al regolatore) dalla memoria a sola lettu- 
ra (ROM, read-only memory), cosi chia- 
mata perché contiene una serie program- 
mata di istruzioni che non può essere 
modificata dopo la costruzione del cal- 
colatore. Ogni parola di istruzione, otte- 
nuta dalla memoria a sola lettura me- 
diante parole di indirizzo a nove bit, sta- 
bilisce le regole di funzionamento valide 
durante un ciclo di istruzione della dura- 
ta di 13 tempi di stato (39 cicli del clock). 
Durante ogni ciclo di istruzione il regi- 

70 



stro a scorrimento può effettuare non 
solo una circolazione completa, ma an- 
che una addizione o una sottrazione, se è 
richiesta un'operazione di uno di questi 
tipi, Durante il ciclo si possono avere 
anche scorrimenti e scambi dei registri. 
Altri particolari delle azioni eseguite du- 
rante un ciclo di istruzione sono condi- 
zionati dai segnali che giungono al chip 
attraverso le quattro linee provenienti 
dalla tastiera, dal conteggio degli impulsi 
di clock, dal bit di riporto o di prestito 
proveniente dall'ultima operazione del- 
l'addizionatore e dalle 1 3 successive cop- 
pie di bit contenute in un registro a scor- 
rimento a 2 per 13 bit che serve come 
una specie dì memoria «tampone» a di- 
sposizione del regolatore* Quest'ultimo è 
il componente noto come registro àìfìag. 
Si supponga di richiedere al calcolato- 
re di eseguire il calcolo 2 + 3, che im- 
plica, per i circuiti del chip, lo stesso tipo 
di procedura che sarebbe seguita in un 
calcolo molto più complicato. Dopo ave- 
re acceso la macchina si preme il pulsan- 
te «2». 11 segnale così attivato viene in- 
viato tramite una delle linee di ingresso 
dalla tastiera al regolatore, dove deter- 
mina L'inserimento di un 2 nel registro di 
indicatore. Da questo i numeri (e quindi 
anche il 2) sono fatti pervenire all'indi- 



catore digitale luminoso del calcolatore. 
Si preme poi il pulsante «più»: il se- 
gnale che viene attivato è immagazzinato 
come un codice nel registro di /lag* a 
disposizione del regolatore per consulta- 
zione. Successivamente si preme il pul- 
sante «3». Il 2 già immagazzinato nel 
registro di indicatore viene trasferito nel 
registro di operando, mentre il 3 segue le 
stesse fasi già attraversate in precedenza 
dal 2 per terminare nel registro di indica- 
tore ed essere da qui trasmesso all'indi- 
catore luminoso. 

Si preme infine il pulsante «uguale»: il 
regolatore consulta zi registro di fìag per 
stabilire quale operazione è stata richie- 
sta sui due numeri (2 e 3) che stanno ora 
circolando nei registri di indicatore e di 
operando e sì accerta che debbano essere 
addizionati. Il regolatore estrae i numeri 
dai registri e lì presenta all'addizionatore, 
il 2 come 0010 e il 3 come 0011. Qui 
vengono sommati e il risultato è inviato 
al registro di accumulazione, e da questo 
traslato al registro dì indicatore e all'in- 
dicatore luminoso. 

/^alcoli anche dì poco più complessi di 
*° 2 + 3 possono richiedere numerosi 
passi attraverso i circuiti di avviamento e 
di ritardo ed eventualmente attraverso 



SEGNALE 
DEL CLOCK - 
PRINCIPALE 



^ GENERATORE TRIFASE DEL CLOCK 



V 



J 



REGISTRO 
Di INDICATORE 



LATCH 
E 
DECODIFI- 
CATORE 
DI 
SEGMENTO 









USCITE 
DI SEGMENTO 






REGISTRO 
DI OPERANDO 



REGISTRO 
DI ACCUMULAZIONE 



■> 



REGISTRO DI FLAG 



INGRESSI DALLA TASTIERA 



9> 



CIRCUITI 
DI CONTROLLO 



ADDIZIONATORE^ 
SOTTRATTO RE 



SOMMA/DIFFERENZA 






-> 






LINEE 
"DI SCANSIONE 



REGISTRO DI INDIRIZZO fZ 



£ 



± 



5 REGISTRO DI ISTRUZIONE 



INDIRIZZI A 9 BIT 



ISTRUZIONI A 11 BIT 



± 



MEMORIA A SOLA LETTURA 
(320 PAROLE DI ISTRUZIONE A 11 BIT) 



In questo schema è rappresentata l'organizzazione concettuale del 
chip. Ogni blocco rappresenta uno dei sottostatemi elettronici princi- 
pali. Lo spessore delle Frecce indica la quantità di informazioni che 
viaggia simultaneamente da una sezione all'altra; le frecce più solfili 
rappresentano un bit, o cifra binaria, e quelle più spesse, che escono 
verso Tatto dalla memoria a sola lettura (ROM) rappresenta no il bit in 
parallelo. Per esempio, per sommare 5 + 4, I 1 opera (ore comincia 
premendo il pulsante «5» della tastiera. Il segnate viene inviato 
tramite una delle linee di ingresso dalla tastiera al circuito di control- 
lo, dove (secondo le opportune istruzioni provenienti dalla memoria a 
sola lettura} viene codificato in forma binaria e trasmesso al registro di 
indicatore, L'operatore preme poi il pulsante «più» e l'informazione 



viene immagazzinata nel registro di /lag (odi segnalamento). Quando 
viene premuto il pulsante «4» il segnale viene manipolato in modo 
analogo al precedente segnale proveniente dal pulsante 5, mentre il 5 
immagazzinato nel restai ro di indicatore viene trasferito nel registro di 
onerando. Infine l'operatore preme il pulsante «uguale»- Il circuito di 
controllo, sempre seguendo le istruzioni della memoria fornite fase 
per fase, si accerta dal registro di /lag dell'operazione che deve essere 
compiuta sui due numeri immagazzinali, lì presenta all'addizionatore 
che a sua volta li somma e invia quindi il risultato dell'operazione nel 
registro di accumulazione. Da qui il risultato viene trasmesso immedia- 
tamente al registro di indicatore, e da questo al la te fi e decodificatore 
di segmento per poter essere infine presentato sul pannello indicatore. 



71 



■>l 



<J -CLOCK PRINCIPALE (CICLO DI QUATTRO MÈCROSECONDl) 



liinjLruumjinji^^ 



ri 



<; TRE CICLI DI CLOCK (UN TEMPO 01 STATO? 



J~L 



FASI DEL CLOCK 



ji n tlì 



13 TEMPI DI STATO (UN CICLO DI ISTRUZIONE) 






Il clock principale di un tipico calcolatore a quadro funzioni opera 
alla frequenza di 25G chilohertz, ovvero 250 000 cicli al secondo. Fra 
le altre attrihu/ioni, il clock stabilisce la temponzzazione per In circo- 
lazione dei dati fra i registri di indicatore, di operando, di accumula- 
zione e di /lag, che costituiscono in realtà un unico registro a 14 per 



13 bit (la memoria ad accesso casuale) che compie con continuità uno 
scorrimento di un passo ogni tre impulsi del clock principale. Tre di 
questi impulsi costituiscono un «tempo di stato» e 13 tempi di slato 
consecutivi (uno per ogni cifra immagazzinata in un registro a 13 bit) 
formano quello che viene solitamente dello un ciclo di istruzione. 



V addizionai ore. Si supponga che il pri- 
mo numero del calcolo sta 25,6. Viene 
anzitutto inserito il 2, che appare sull'in- 
dicatore con un punto decimale alta sua 
destra. Quando si inserisce il 5 t il 2 deve 
scorrere dì un posto verso sinistra, ma il 



punto decimale deve rimanere nella po- 
sizione precedente. Viene poi premuto il 
tasto del punto decimale; l'indicatore 
non cambia la presentazione, ma il se- 
gnale proveniente dal pulsante viene im* 
magazzìnato come un segno nel registro 



di /lag. Ora quando si preme il pulsante 
«6», il punto decimale deve scorrere di 
un posto verso sinistra, insieme con il 2 e 
il 5, Lo scorrimento del punto decimale 
richiede che il calcolatore esegua un ciclo 
di addizione, applicato al simbolo del 



K 



±rif 

11 ' ■— 



- QCtO DI SCANSIONE 429 CICLI DEL CLOCK (1 J MILLISECONDI) 

ATTIVAZIONE DJ UNA LINEA DI SCANSIONE: 33 CICLI DEL CLOCK 
032MfCROSECQNDI} 



*\ 



10- 



-> 



^ INTERVALLO DI SO CICLI (24 MICRO SECONDI) 

^ FRA LA FINE D\ UN IMPULSO E L'INIZIO DEL SUCCESSIVO 



7 


^ 








I 




-*' 






6 — 






- UN CICLO DI ISTRUZIONE INIZIA E TERMINA DURANTE GLI INTERVALLI 










5 













Il ciclo di scansione occupa » tri un calcolatori 1 tipico. 429 cidi del 
dock, di quadro microsccondr ciascuno. Ogni traccia indica la leu- 



72 



siiinc in una linea dì scansione in funzione del tempo e gli impulsi 
verticali mostrano la successione temporale degli impubi di attivazione* 



punto decimate che delle 13 cifre nel 
registro di indicatore è quella impiegata 
per seguire la posizione del punto. 

Se il successivo comando dalla tastiera 
è di eseguire una addizione e il numero 
da sommare a 25,6 è 33, ! 4, il primo 
compito è di allineare i punti decimali 
nei due registri interessati, nello stesso 
modo in cui si opererebbe eseguendo 
un'operazione manuale. In altre parole 
le cifre del punto decimale nei due regi- 
stri i cui contenuti sono da sommare 
devono trovarsi nella stessa posizione: 
perciò il numero 25,6 deve essere scorso 
di un posto verso sinistra, aggiungendo 
una cifra ai decimali (con risultato 25,60.) 
Compiuta questa fase, i due numeri pos- 
sono venire addizionati in un solo passo 
tramite l'addizionatore, 

Gli esempi precedenti dovrebbero es- 
sere sufficienti per indicare il tipo di 
operazioni, verifiche e collegamenti se- 
quenziali che devono essere eseguiti in ri- 
sposta a un ingresso dalla tastiera. Una 
addizione o sottrazione completa con un 
punto decimale fluttuante può richiedere 
perfino 300 cicli di istruzione (equiva- 
lenti a 12 000 cicli dei clock): il numero 
esatto dipende dal tipo dì programma- 
zione e dalla dimensione dei numeri su 
cui deve essere eseguilo il calcolo. La 
moltiplicazione e la divisione, date da 
addizioni, sottrazioni e scorrimenti itera- 
tivi, richiedono un numero proporzional- 
mente maggiore di cicli di istruzione. 

Sebbene 12 000 cicli del dock possano 
sembrare un tempo piuttosto lungo per 
eseguire una semplice addizione o sottra- 
zione, si deve ricordare che il tempo 
effettivamente richiesto è minore di 0,05 
secondi. In verità si tratta di un tempo 
che potrebbe sembrare interminabile per 
un grande calcolatore elettronico, con 
una frequenza di clock air incirca 100 
volte più alta dì quella del calcolatore in 
questione e dotato di una programma- 
zione più efficiente, soprattutto per l'uso 
di parole dì istruzione più lunghe. All'o- 
peratore umano sembra che il calcolatore 
esegua le operazioni istantaneamente. 

11 nostro ipotetico calcolatore, come la 
maggior parte degli altri calcolatori, pre- 
senta molte caratteristiche di progetta- 
zione che derivano dai grandi calcolato- 
ri. Per esempio ! 'addizionatore, insieme 
con le parti del regolatore che instradano 
e ritardano le cifre in transito, corrispon- 
de all'unità centrale (CPU - Central Pro- 
cessing Unit\ e i tre registri dei dati alla 
memoria principale. Le altre parti del 
regolatore sono equivalenti ai circuiti 
temporizzatori e dì controllo che guida- 
no il funzionamento del calcolatore al li- 
vello più basso, cioè al livello in corri- 
spondenza del quale il cambiamento del- 
le operazioni richiede modifiche nella 
configurazione del cablaggio» Le proce- 
dure programmate immagazzinate nella 
memoria a sola lettura sono grosso mo- 
do equivalenti ai microprogrammi di cer- 
ti calcolatori (un mìcro program ma di un 
calcolatore è una procedura più o meno 
fissa» che governa direttamente ì circuiti 
di controllo e che viene chiamata in cau- 
sa da un'istruzione di un programma 
espresso in linguaggio di macchina). 



L'esecuzione di un mìcro program ma 
in un calcolatore assomiglia a un pro- 
gramma vero poiché in generale richiede 
di cercare un'istruzione dopo l'altra in 
una memoria di un qualche tipo in con- 
formità con indirizzi definiti in parte dal 
controllo dei risultati di operazioni pre- 
cedenti. Tuttavia il concetto di program- 
ma racchiude in generale l'idea di una 
serie di istruzioni che possono essere or- 
dinate e alterate all'esterno della macchi- 
na stessa più facilmente di quanto non 
avvenga per i mìcroprogrammi. La di- 
stinzione è evidente nei calcolatori «pro- 
grammabili», nei quali ogni istruzione di 
un programma (possibilmente una com- 
posta da un operatore) dà luogo tìpica- 
mente a una procedura microprogram- 
mata del tipo descritto. La distinzione 
diviene alquanto vaga quando si prende 
in esame il modo in cui i calcolatori 
elettronici eseguono operazioni diverse 
dalle quattro fondamentali, come estrar- 
re una radice quadrata, calcolare un se- 
no o y* Operazioni di questo tipo sono 
in generale effettuate seguendo una se- 
quenza programmata (realizzata con mi- 
croprogrammi) di addizioni, sottrazioni, 
moltiplicazioni e divisioni. 

Un risultato della analogia di struttu- 
ra tra i grandi e i piccoli calcolatori elet- 
tronici è che questi ultimi, come quelli di 
maggiori dimensioni, possono eseguire 
una varietà di procedure programmate 
differenti usando la stessa struttura di 
circuiti elettronici. In un grande calcola- 
tore i differenti programmi sono intro- 
dotti con istruzioni che vengono imma- 
gazzinate nella memoria, mentre i micro- 
programmi di un pìccolo calcolatore so- 
no immessi nella sua memoria a sola 
lettura durante la fabbricazione. 

Si possono distinguere diverse linee 
nell'evoluzione del piccolo calcolatore 
elettronico, tutte convergenti nel dispor- 
re di un maggior numero di funzioni e in 
una maggiore utilità a costì minori. Le 
fonti di questi progressi sono le riduzioni 
di dimensioni, l'esperienza acquisita nel- 
la produzione di grande serie e i progres- 
si della tecnologìa dei semiconduttori. 

Da una parte si sono realizzate note- 
voli riduzioni di costo con provvedimenti 
in apparenza insignificanti, come il di- 
sporre le piste dei circuiti stampati per- 
fettamente ortogonali in modo che non 
, esistano due linee di scansione o due 
linee di ingresso dalla tastiera che si in- 
crocino. In altre parole uno schema della 
matrice della tastiera corrisponde esatta- 
mente alla configurazione effettiva della 
tastiera stessa. La soluzione rende più 
complessa la programmazione delle pro- 
cedure avviate dagli ingressi dalla tastiera, 
ma riduce il numero di strati sovrapposti 
necessari per la piastra circuito stampato 
sotto le chiavi, tecnica questa di costo 
rapidamente crescente con l'aumento del 
numero degli strati. D'altra parte inno- 
vazioni tecnologiche dì vasta portata pos- 
sono rendere ben presto pratica* da un 
punto di vista economico, l'integrazione 
di tutti i circuiti elettronici del calcolato- 
re in un solo chip, con conseguente ridu- 
zione nel costo di montaggio e aumento 
dell'affidabilità. 



« FARAMETRI » 

Una collana diretta 

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Libri per "fare il punto" 

sulla nostra cultura 

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LE IDEE 
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Un intervento su 30 anni 

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dal 1945 a oggi 

L 3.500 



La macchina 
vivente 




Bernardino Fantini 

LA MACCHINA 
VIVENTE 

Meccanicismo e vitalismo 
nella biologia del Novecento 

L. 3.500 

Marina Addis Saba 

IL DIBATTITO 
SUL FASCISMO 

Le interpretazioni degli storici 
e dei militanti politici 

L 2,800 

^ LONGANESI &C.gj 

73 



Le variazioni cromosomiche 
nell'evoluzione dei primati 

Lo studio delle modalità di variazione dei caratteri ereditari nei 
primati non-umani permette di formulare alcune ipotesi sugli 
eventi che hanno condotto alla differenziazione dell'uomo 

di Brunetto Chiarelli 



Il gruppo zoologico dei primati pre- 
senta, dal punto dì vista genetico, 
un notevole interesse; infatti le for- 
me attualmente viventi rispecchiano con 
una certa approssimazione alcune delle 
tappe che hanno portato all'evoluzione 
della nostra specie. 

La sistematica delle forme vi verni dei 
primati riproduce cioè, nei caratteri es- 
senziali, quella delle forme fossili e que- 
sto spiega l'interesse particolare che que- 
sto gruppo offre allo zoologo. 

Lo studio comparativo dei caratteri 
ereditari, comuni alle diverse specie di 
scimmie, ci sembra interessante, sia per- 
ché permette di ricostruire il tracciato 
seguito nell'evoluzione dalla comparsa 
alla stabilizzazione di ogni carattere, sia 
perché le scimmie sono animali più vicini 
all'uomo dì quanto non to siano la dro- 
sofila o il topo. 

Il genetista umano in altre parole, po- 
trà meglio apprezzare i limiti e le moda- 
lità di variazione dei caratteri ereditari 
conoscendo le modalità di variazione nel- 
le specie a noi più vicine, Naturalmente 
la presenza di un gene in due specie dif- 
ferenti non implica necessariamente una 
recente separazione filogenetica: porzio- 
ni omologhe di genoma si possono tro- 
vare in specie anche lontane. D'altra par- 
te, specie affini o popolazioni apparte- 
nenti alla medesima specie possono tal- 
volta differire per la perdita o la modifi- 
cazione di uno o più geni. 

La genetica comparata dei primati è 
tuttavia una scienza recente e ì dati di cui 
dispone non sono ancora ben coordinati, 
È ancora prematuro pensare di trovare 
dei gruppi d'associazione, e ancora di 
più pretendere di stabilire le mappe ge- 
netiche delle varie specie di scimmie 
quando queste a malapena si cominciano 
a conoscere per l'uomo. Tuttavia i primi 
risultati sono promettenti. Infatti lo stu- 
dio comparato dei prodotti dì un gene ci 
permette già di scoprire con più facilità 
le singole mutazioni che conducono alla 
differenziazione tra gli indivìdui e ì mec- 
canismi che tendono a separare le popo- 
lazioni e a formare nuove specie. 

In effetti una singola mutazione genica 
in un organismo superiore, raramente 



crea una «barriera riproduttiva» suffi- 
ciente perché si orìgini una nuova specie. 
Inoltre le mutazioni sono rare e sono 
soggette a una forte pressione selettiva. 

La genetica comparata dei primati non 
umani ci interessa per i contributi che 
esso può offrire alla genetica umana e 
alle sue applicazioni cliniche» ma soprat- 
tutto per chiarire le relazioni filogeneti- 
che intercorrenti tra le diverse specie. 
Questo è particolarmente evidente nello 
studio dei cromosomi che sono i veicoli 
dell'informazione ereditaria. 

Ciascuna cellula del nostro organismo, 
come quelle di tutti gli altri esseri 
viventi, contiene un corpuscolo che si 
può colorare con coloranti basofili ed è 
costituito prevalentemente da acido de- 
sossiribonucleico (DNA): il nucleo. Esso 
appare pressoché omogeneo in tutte le 
cellule non in divisione, ma, quando la 
cellula si divide, all'interno del nucleo si 
formano delle strutture filamentose: i 
cromosomi. Quest'ultimi caratterizzano 
la specie a livello cellulare. Ciascuna spe- 
cie animale o vegetale è caratterizzata da 
un determinato numero di cromosomi e 
da una loro morfologia tipica. 

Sino a circa 15 anni fa» lo studio dei 
cromosomi dei mammiferi era molto dif- 
ficile, ma in seguito, con l'introduzione 
delle colture in vitro e del trattamento 
ipotonico» queste ricerche hanno progre- 
dito in modo notevole. Fu nel 1956 che 
Tijo e Levan descrissero per primi il 
numero esatto dei cromosomi umani. 

L'uomo possiede 46 cromosomi e il 
loro numero e la loro morfologia sono 
costanti a tal punto che la presenza sup- 
plementare di uno dei più piccoli (il ven- 
tunesimo) nelle cellule di un individuo, 
causa La sìndrome di Down o mongoli- 
smo (come dimostrarono Lejeune e Tur- 
pin nel 1959). La loro funzione è di 
conseguenza dì grande importanza nel- 
l'organizzazione generale della vita di un 
individuo e per l'insieme degli indivìdui 
costituenti la specie. Le informazioni e* 
redita rie sono localizzate in successione 
lineare su di essi, 

Nel corso della metafase della divisio- 
ne mitotica, ì cromosomi sono partico- 



larmente visibili e risultano costituiti da 
due filamenti (cromatidi) che si congiun- 
gono in una regione caratteristica di cia- 
scun cromosoma (centromero). 

A questo stadio, ciascun cromosoma 
sì è già autoduplicato e ciascuno dei 
cromatidi sì trasferirà in una delle due 
cellule figlie. Con questo meccanismo di 
autoduplicazione il patrimonio di infor- 
mazioni che l'indivìduo riceve dai suoi 
genitori, al momento del concepimento, 
rimane inalterato nel corso delle succes- 
sive generazioni cellulari per tutta la du- 
rata della sua vita. 

Perché la quantità di informazioni tra- 
smessa da un individuo all'altro rimanga 
rigorosamente costante, è necessario che 
il numero dei cromosomi» durante la ma- 
turazione delle cellule germinali (sperma- 
tozoi e uova), si riduca a metà» di modo 
che si possa nuovamente ricostituire nel- 
lo zigote un patrimonio genetico identico 
al precedente, 

A differenza delle cellule somatiche, 
<T\- le cellule germinali hanno la pro- 
prietà di trasmettere perpetuamente i lo- 
ro cromosomi da un individuo all'altro 
nel corso delle varie generazioni. Le cel- 
lule somatiche di un individuo sono de- 
stinate a morire con la sua morte, al 
contrario le cellule germinali sono poten- 
zialmente immortali. 

Sono dunque queste ultime che stabili- 
scono una continuità da un individuo 



I primati rappresentano un gruppo zoologico 

particolarmente interessante: la sistematica 
delle forme attualmente viventi ripete pressa p- 
poco i vari stadi evolutivi attraverso i quali 
questo gruppo è passato durante i suoi 80 
milioni di anni di esistenza, Le proscimmie in 
qualche modo rappresentano un gruppo di 
forme più primitive delle scimmie; le scimmie 
platinine uno stadio attraverso il quale molle 
delle forme di scimmie catarri ne sono dovute 
passare; queste ultime costituiscono uno sta- 
dio evolutivo delle antropomorfe e queste in- 
fine uno stadio della evoluzione dell'uomo. 
Una sequenza quindi di forme che, in qualche 
modo» ripete i numerosi stadi evolutivi che dal 
primitivo Purgatarius dei Cretacico superiore 
hanno condotto all'attuale Homo sapiens. 



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SOTTORDIMI 



FAMIGLIE 



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TUPAHDAE 

LQRtSIDAE 

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LEMURIDAE 

MDRHÙAE 

DAUBBNTQNUOAE 

TARSttDAE 



CALUTHmClDAE 
CALUMiCONtDAE 
CEBIDAE 



CERCOPITHECtDAE 



COLQBtDAE 



HYLQBATtDAE 



PONQIDAE 



HQMÌNIDAE 



GENERI 



TUPAIA 
LORIS (1) 
GALAGO (2) 
LEMUR (3) 
tNDRt (4) 
DAUBENTONIA 
TARStUS 



CALUTRIX (5) 

CALUM1CQ 

CEBUSiB) 



MACACA (7) 
PAPtO 

THEROPITHECUS (B) 
CERCQGEBUS 
CERCQPtTHECUS (9) 




(Sì .,;.- 



PRESBYTIS (10) 
PYGA TRIX 

RHiNOPiTHECUS (11) 
S1MÌAS 
NASAUS02) 
COLOBUS 

HYLQBATESirt} 
SYMPHALANQUS 
NOMASCUS 

PONGO 
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GORILLA 

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75 



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21 


22 


SCIMPANZÈ 


Hi 


I A 




22 


23 



Confronto Ira i ero mosci mi del gruppo (. 
umani e di scimpanzè, sin fa coppia 21 del- 
l'uomo che la coppia 22 dello scimpanzè in 
questo esempio presentano un piccolo cromo- 
soma aeroecn trito soprannumerario collegato 
a una grave anomalia fenolipica che. uelJ uo- 
mo, prende il nome di sindrome di Down. 



all'altro, nel corso delle varie generazio- 
ni e soltanto Le variazioni che sì attuano 
nei cromosomi delle cellule germinali 
possono produrre delle variazioni nel 
complesso ereditario di una specie, 

Durante la maturazione delle cellule 
germinali, i cromosomi passano attraver- 
so i vari stadi che conducono alla ridu- 
zione a metà del corredo cromosomico 
o, come si dice in gergo tecnico, da un 
assetto diploide (2n) a uno aploide (n). 

Allorché uno spermatogonio cessa di 
moltiplicarsi per mitosi e comincia a in- 
grossare» significa che la divisione meio- 
tica sta per iniziare. La cellula che si 
trova a questo stadio viene detta «sper- 
matocita I», ed è destinata a formare 4 
spermatozoi. Il risultato della divisione 
meiotica è la riduzione a metà del nume- 
ro dei cromosomi. 

Lo stato aploide che si stabilisce nello 
spermatozoo, costituisce l'apporto del 



maschio al patrimonio ereditario dei suoi 
figli. L'oogenesi differisce dalla sperma- 
logenesi soprattutto per it comportamen- 
to del citoplasma durante la divisione 
meiotica. Per l'accumulo di sostanze nu- 
tritizie, P oocita primario è decisamente 
più grande dello spermatoctta primario. 
11 comportamento dei cromosomi duran- 
te la maturazione delle uova è tuttavia 
identico a quello degli spermatozoi. Poi- 
ché durante le due divisioni meiotiche ha 
luogo una sola divisione dei cromosomi, 
questa provoca un dimezzamento del nu- 
mero dei cromosomi dei gameti rispetto 
alle altre cellule dell'organismo. 

A un certo stadio della divisione, tut- 
tavia, ognuno dei due omologhi si deve 
separare e ciascun gamete possiedete un 
solo elemento per ogni coppia* 

È il caso che decide quale dei due cro- 
mosomi omologhi si trasferirà in un de- 
terminato gamete» di modo che le diverse 
possibilità (combinazioni) si realizzano 
con uguale frequenza. 

Questo è un fattore che contribuisce 
notevolmente a mantenere l'associazione 
casuale dei caratteri ereditari all'interno 
di una specie. Ma vi è un altro meccani- 
smo che tende a rendere ancora più ca- 
suale la combinazione dei geni nella di- 
scendenza. Questo meccanismo consiste 
nello scambio di porzioni di cromosoma 
tra gli omologhi, durante la prima divi- 
sione meiotica ed è detto crossìng over. 

Durante lo stadio di sinapsi i due 
omologhi si trovano uno vicino all'altro. 
Quando sono vicini» essi raddoppiano i 
loro cromatidi, in modo da formare 4 
filamenti, di cui due sono d'origine pa~ 
tema e due d'orìgine materna; durante il 
processo di duplicazione, o immediata- 
mente dopo, succede spesso che due di 
questi filamenti si scambino vicendevol- 
mente delle porzioni, cioè per qualche 



ragione, un filamento materno e uno pa- 
terno si spezzano simultaneamente nello 
stesso punto. Le porzioni si risaldano 
reciprocamente attraverso un processo 
detto «ricombinazione»: in modo tale 
che risultano due nuovi cromatidi, cia- 
scuno con una porzione di origine pater- 
na e una di origine materna. Questo 
stadio particolare, riconoscibile al micro- 
scopio, è detto diplotene. 

1 punti in cui i cromatidi si scambiano, 
vengono detti punti di chiasma. Ciascu- 
no dei 4 cromatidi così formati, ha la 
stessa probabilità degli altri di inserirsi in 
un gamete, di contribuire, cioè, al patri- 
monio genetico di un individuo. Ora, 
poiché ciascun cromatide può casualmen- 
te spezzarsi e riattaccarsi in un punto 
qualsiasi della sua lunghezza, la probabi- 
lità che uno dei figli erediti più geni che 
si trovano associati in uno dei genitori, 
risulta ulteriormente diminuita. 

Questa stabilità nel numero e nella 
morfologia dei cromosomi non è però 
assoluta. Si conoscono vari modi, le di- 
verse mutazioni cromosomiche, per mez- 
zo delle quali i cromosomi di un indivi- 
duo possono cambiare di numero e di 
forma. Abbiamo già accennato al caso 
dì un cromosoma supplementare come 
quello della sindrome di Down, ma i 
cromosomi possono cambiare di forma 
per traslocazioni, inversioni, fusioni cen- 
triche o misdi visioni del centromero. 
Queste variazioni possono essere tali da 
differenziare il cariotipo di un individuo 
o di un gruppo di individui a tal punto 
da isolarli riproduttivamente dagli altri 
rappresentanti della loro specie. Non tut- 
te queste variazioni tuttavia hanno possi- 
bilità di successo. Esse infatti per poter 
sopravvivere in una popolazione e per 
potersi affermare, devono presentare un 
qualche vantaggio selettivo e devono pas- 



sare per il filtro della meiosi che si opera 
in ogni individuo, al momento della pro- 
duzione dei gameti. 

Fra i molti aspetti che interessano l'o- 
rigine della nostra specie quello rela- 
tivo alle trasformazioni del cariotipo ha 
stimolato molto interesse da quando Tijo 
e Levan nel 1956 riproposero con tecni- 
che nuove il problema del numero e della 
morfologia dei cromosomi umani e da 
quando Lejcune nel 1959 individuò nella 
presenza di un cromosoma supplementa- 
re la causa della sindrome di Down. 

Queste strutture per essere i vettori 
della informazione ereditaria, hanno un 
indubbio interesse evolutivo oltre che co- 
stituire le fondamenta di un nuovo ap- 
proccio alla patologia. 

Tuttavia le aspettative di molti ricerca- 
tori sono state forse eccessive per una 
generalizzata tendenza a voler riconosce- 
re nel cariotipo, il genotipo stesso e non 
il suo mero aspetto fenotipico. Questo 
ha indotto e induce costantemente alcuni 
medici biologi a trarre conclusioni fallaci 
e superficiali. 

Per introdurre in modo adeguato il 
problema delle origini e della evoluzione 
del cariotipo umano occorre quindi fare 
alcune premesse sull'effettivo ruolo che le 
variazioni cromosomiche possono avere. 

I cromosomi sono, come si diceva pri- 
ma, delle mere strutture morfologiche e 
come tali a essi, per uno studio compara- 
tivo, devono essere applicati i criteri dì 
omologìa, analogia e convergenza. In 
biologia due strutture si definiscono o- 
mologhe quando hanno identica appa- 
renza e medesima funzione, analoghe 
quando hanno la medesima funzione, 
ma diversa origine, 

Nello studio comparativo dei cromo- 
somi si devono quindi applicare i mede- 




Questo cromosoma umano è staio fotografato al microscopio elettronico con un ingrandimento 
di 60 000 volte durante una delle fasi del processo di divisione del nucleo, la metafase. 



si mi criteri che valgono per la compara- 
zione delle strutture morfologiche, ma, a 
differenza di queste, lo studio compara- 
lo dei cromosomi presenta tre importanti 
vantaggi. Innanzitutto i cromosomi sono 
strutture relativamente semplici essendo 



formate fondamentalmente da una lunga 
catena di molecole di DNA; essi inoltre 
sono i vettori della informazione genetica 
e devono pertanto avere una morfologia 
costante in tutti gli individui della mede- 
sima specie in quanto alla meiosi queste 




Le tre fotografie rappresentano i cromosomi 1, 2 e 3 dello scimpanzé dopo (rat lamento con 
mostarda di quinacrina. In alto sono disegnate le rispettive curve di assorbimento. A ogni banda 
chiara del cromosoma corrisponde un massimo della curva, a ogni banda scura un minimo- 




A sinistra sono state disegnale schematicamen- 
te le diverse fasi della divisione meiotica. in 
seguilo a questa divisione si formano delle cel- 
lule con un patri munio aploide di cromosomi 
equivalente alla metà dì Quello di una cellula 
snmaiica. 1 diversi stadi di queste divisioni 









sono: a) lepiote ne* h} zigotene, e) pachitene, 
d) diplotene, e) diacinesi, fi metafase 1, gì 
anafase I, hi telo fase I, i) interfase, k) meta fa- 
se II, r) anafase II, rrt) telo fase IL Nelle foto- 
grafie sono rappresentale alcune fasi caratte- 
ristiche come appaiono al microscopio ottico. 




76 



77 



strutture si appaiano linearmente e per- 
tanto la meiosi funziona da filtro per il 
controllo delle omologie. Va infine ricor- 
dato che sì conoscono meccanismi relati- 
vamente semplici per mezzo dei quali ì 
cromosomi possono cambiare di forma e 
di numero. Alcune volte questi mutamen- 



ti di struttura possono passare attraverso 
il filtro della meiosi ed eventuaimenie 
stabilizzarsi in una popolazione, come 
sequenze di informazioni organizzate in 
modo diverso. 

Per queste ragioni i cromosomi posso- 
no essere considerati ottimi caratteri per 



le ricerche sistematiche e filogenetiche . 
La similitudine fra cromosomi di spe- 
cie imparentate non implica tuttavia ne- 
cessariamente la omologia genetica fra 
essi. Anche le più avanzate tecniche del 
bandeggiamento dei cromosomi, come 
vedremo, non forniscono prove inconfu- 



tabili di identità. Solo lo studio dei cro- 
mosomi meiotici di ibridi interspecifici 
può permettere di stabilire effettive omo- 
logie fra i complementi cromosomici di 
specie diverse. 

Ma la scienza procede per gradi e noi 
dobbiamo molto spesso accontentarci di 



prove indirette» anche se plausibili, di 
omologia. 

Qui di seguito cercheremo di sintetiz- 
zare i dati relativi alle possibili omologie 
fra i cromosomi umani e quelle delle 
specie a noi più strettamente imparentate 
e su queste basì potremo impostare il di- 



scorso delia origine del cariotipo umano. 
La nostra specie viene dagli zoologi 
classificata nell'infraordine delle scimmie 
catarrine e pertanto questo è il gruppo 
col quale più direttamente ci interessa 
comparare il cariotipo umano. 
Se si confrontano per morfologia i ca- 




A+B 











G + XY 




17 












Hh 



£3 






,t=- 



Pan troglodytes 



Vn accordo per la descrizione dei cromosomi umani è stato raggiunto 
a Denver nel 1960; nel 1963, 1966 e nel 1969 si sono tenuti altri conve- 



gni che hanno stabilito delle modalità universalmente accettate, Nelle 
fi aure di queste due pagine sono rappresentali i cromosomi umani 



disposti secondo la convenzione dì Denver iu sinistra) e ì cromosomi sono stati colorati con quinacrina per metterne in evidenza le bande 

di scimpanzè disposti in un ordine analogo (a destra), E cromosomi riuorescenli e per ciascuno e mostrata la relativa curva di assorbimento. 



78 



79 



CERCOPITHEODAE 
COLQBIDAÉ 



HYLOBATtDAE 




HQMINtDAE 
PONGfDAE 



GRUPPO 



W 



GRUPPO 








I 






5 t 



I 



Q 5 o 

c k c S 

O O n 2 

£ o C * 



L 



I cromosomi nucleolo organizzatori alla meta fase presentami una evidente traccia di questa loro 
funzione in una ampia regione che non si colora con i colorami tradizionali. Questi cromosomi 
che vengono delti "cromosomi marcali» rappresentano un ottimo indizio per stabilire possibili 
relazioni filogenetiche fra le specie. Nella figura è rappresentata una ipotetici! ricostruzione delle 
tappe che hanno condotto alta evoluzione di questi cromosomi fra le scimmie catarrine e l'uomo. 



Cercocebtis ìorauatus 










l 















P. hamadryas 




■ 








■ 








P. papio 


































P tioguem 






























P. cynocepttatus 




























P. comatus 


























R tmiCQptìaeus 
























P r sphinx 






























M. nigor 
































ti 
o 


M, maura 




























M. irvs 




















■ 




■ 


M. sinica 
































M. radiata 






! 


























Mr ne mostrina 






| ^m 
























■ 


M. sìfenus 
































M mulatta 
































M. speciosa 
































hi, sytvana 


































99/ 


I 

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1 

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14 

1 

a: 


60 

ì 

3 






Macaca 


P ap io 



Rappresen (azione grafica dei possibili incroci che possono av\enire all'interno della famiglia dei 
cercopiteeidi o scimmie einomorfe. t quadrelli in colore pieno rappresentano i normali incroci 
nell'ambito della si essa specie, quel ti in colare chiaro gli incroci tra specie diverse mentre i qua* 
d retti simboleggiano gli incroci che è stato possibile osservare addirittura tra generi diversi. 



riotipi delle diversa specie di catarrine si 
possono grosso modo distinguere quat- 
tro gruppi fondamentali: I) il gruppo 
delle diverse specie del genere Cercopì- 
thecus caratterizzato dalia presenza dì 
cromosomi metacentrici, sub ni et acentrici 
e acrocentrici iti proporzione varia; da 
una coppia di cromosomi acrocentrici 
marcata da una ampia regione acromati- 
ca e da un numero di cromosomi varia- 
bile fra 48 e 72; 2) il gruppo delle Fa- 
pinae {Macaco* Papìo, Theropithecus, e 
Cercocebus) carati erizzato dall'avere so- 
lo cromosomi metacentrici e submeta- 
cen triti, da una coppia di cromosomi 
submetacentrici marcata da una ampia 
regione acromatica e da un numero fisso 
di cromosomi pari a 42; 3) il gruppo del- 
le Coiobìnae (Cofobus, Presbytis, Nasa- 
Hs t Rynopithecus) e delle Hyhbatinae 
[HylobateSi Nomascus e Symphatangus) 
caratterizzati dall'avere cromosomi quasi 
tutti metacentrici in numero che va da 
44 a 52 e da una coppia di cromosomi 
marcati da una ampia regione acromati- 
ca; 4) il gruppo delle scimmie antropo- 
morfe (orango, gorilla, scimpanzé) e del- 
l'uomo, caratterizzato dall'avere cromo- 
somi metacentrici, sub metacentri ci e a- 
crocentrici; dall'assenza di una coppia di 
cromosomi marcati e da un numero di 
48 o 46 cromosomi. 

È ovvio che la prima fase della ricerca 
di omologia fra il cariotipo umano e 
quello degli altri primati deve svilupparsi 
in questo ultimo gruppo. 

La comparazione dei cariotipi delle 
scimmie antropomorfe con quello del- 
l'uomo mette immediatamente in eviden- 
za che il cariotipo dell'orango è il più 
differente, mentre quello dello scimpanzé 
è il più simile a quello dell'uomo . Anzi, 
a prima vista il cariotipo dello scimpanzé 
può essere facilmente scambiato con 
quello umano. 

La differenza più appariscente è quella 
del numero, Lo scimpanzé, come le altre 
antropomorfe, ha 48 cromosomi, mentre 
l'uomo ne ha solo 46. 

L'ipotesi più verosimile per spiegare 
queste differenze nel numero dei cromo- 
somi è quella da noi avanzata fin dal 
1962, di una fusione centrica avvenuta 
fra due cromosomi acrocentrici del tipo 
dei cromosomi del gruppo D dello scim- 
panzé che si deve essere verificata in un 
«preomìmde» ancestrale creando il cro- 
mosoma 2 del cariotipo umano. 

Questa mutazione ha certamente pro- 
dotto una importante distinzione fra il 
phyium che ha dato origine alle scimmie 
antropomorfe e quello che ha dato origi- 
ne all'uomo. Ma, a parte questa grosso* 
lana differenza numerica, molte altre dif- 
ferenze esistono fra il cariotipo di uno 
scimpanzé e quello dell'uomo. Alcune di 
queste differenze, probabilmente dovute 
a traslocazioni o a inversioni, hanno im- 
portanza forse anche maggiore di una 
semplice fusione centrica nel creare bar- 
riere riproduttive e quindi nuove popola- 
zioni e specie. 

Le possìbili omologie di queste strut- 
ture fra le scimmie antropomorfe e l'uo- 
mo possono essere studiate con metodi 
diversi. Anche la semplice comparazione 



morfologica può dare un'idea approssi- 
mativa delle più grossolane differenze e 
di possibili omologie, Un certo numero 
di cromosomi a una ispezione morfodi- 
mensionale appaiono simili nelle quattro 
specie considerate. Attualmente tuttavia 
con le tecniche del bandeggiamento sem- 
bra possibile comparare anche solo por- 
zioni di singoli cromosomi. Queste tecni- 
che consistono nel trattare i cromosomi 
con agenti denaturanti o con quinacrina, 

Mediante queste tecniche in genere ri- 
sulta che i cromosomi 1, 3, 11, 12, 14 e 
X dello scimpanzé e dell'uomo sono ca- 
ratterizzati da un medesimo tipo di ban- 
deggiamento, Bandeggiamentì nettamen- 
te diversi rispetto agli omologhi umani 
invece li presentano i cromosomi dello 
scimpanzé 2, 4, 5, 8, 9, 16, 17, 18 e Y 
pur presentando caratteristiche morfodi- 
mensionali abbastanza simili a quelli u- 
manL Essi quindi non sembrano avere 
una controparte nel cariotipo umano. 
Gli altri cromosomi poi, come già abbia- 
mo detto, sono nettamente diversi anche 
morfologicamente. Essi devono pertanto 
aver subito profondi rimaneggiamenti 
nell'una e nell'altra linea filetica, 

È naturale che su questa base e con 
queste possibilità molti ricercatori si sia- 
no sentiti stimolati, in questi ultimi mesi, 
a inventare nuove tecniche per determi- 
nare differenze e similitudini fra il cario- 
tipo umano e quello delle antropomorfe. 

Ma quale è il significato di questi arte- 
fatti che noi produciamo sui cromosomi 
e che effettivo valore hanno per La com- 
parazione di cromosomi di specie diverse? 
Prima di tentare di risolvere questi que- 
siti abbiamo voluto tentare di obicttivar- 
ne i risultati. Quando si usano le tec- 
niche del bandeggiamento per appaiare 
due omologhi della medesima piastra o 
della medesima specie si può usare il 
principio di esclusione. Quando invece si 
comparano cromosomi di specie diverse, 
si deve essere certi che la identificazione 
delle bande sia ripetibile e obiettiva, cioè 
indipendente dalla acutezza visiva {che 
molto spesso è sostenuta dalla fantasia 
del ricercatore) e quindi sia operata da 
uno strumento. 

Fra le diverse procedure messe a punto 
per produrre bande, il metodo che forse 
è più direttamente connesso con il DNA 
del cromosoma è quello della quinacri- 
na, come ha dimostrato Caspersson nel 
1972, Negli anni più recenti la topografia 
delle bande per fluorescenza da mostar- 
da di quinacrina è stata studiata su spe- 
cie differenti con risultati ottimi per il ri- 
conoscimento di cromosomi omologhi 
nell'ambito della medesima specie. Con 
il collega Giuseppe Ardito abbiamo quin- 
di scelto questa tecnica per studiare com- 
parativamente i cromosomi di uomo e di 
scimpanzé. 

Nell'intento di ridurre le cause di va- 
riazioni dovute a differenze nella coltura 
e in altri procedimenti impiegati nell'ap- 
prontamento dei cariotipi, abbiamo alle- 
stito colture miste di sangue dì uomo e di 
scimpanzé. L'impiego di colture miste 
permette di trattare i cromosomi delle 
due specie nelle identiche condizioni eli- 
minando tutte le differenze dovute ai 



passaggi nelle varie soluzioni e solventi. 
Le piastre delle due specie sul medesimo 
vetrino sono riconoscìbili per il diverso 
numero dei cromosomi. 

Al fine di obicttivare i risultati abbia- 
mo poi effettuato la comparazione con- 
frontando le curve ottenute per assorbi- 
mento fotoelettrico della fluorescenza dei 
cromosomi con la tecnica descritta da 
Caspersson nel 1973 per È cromosomi 
umani. 

La comparazione diretta fra i cromo- 
somi di uomo e di scimpanzé rivela alcu- 
ne affinità nella successione delle bande 
più fluorescenti. Tuttavia, come diceva- 
mo prima, la loro descrizione è opinabile 
sìa per la dislocazione che per le dimen- 
sioni e l'intensità. L'uso dell'analisi foto- 
densi tom etnea avrebbe dovuto nei nostri 
programmi eliminare queste incertezze. 

Questa tecnica, come abbiamo prima 
detto, si basa sull'impiego di un fotoden- 
sìtometro che, con l'aiuto di un raggio lu- 
minoso, legge l'intensità della fluorescen- 
za punto per punto lungo l'asse longitu- 
dinale del cromosoma, Questo strumen- 
to è connesso con una punta scrivente 
che registra l'intensità della fluorescenza 
sotto forma di una curva su una banda 
rotante. A ciascuna banda chiara corri- 
sponde un massimo, a ciascuna banda 
scura un minimo. 

La figura al centro a pagina 77 presen- 
ta le curve di assorbimento dei primi tre 
cromosomi di scimpanzé. Le curve dei 
due omologhi dei medesimi cromosomi 
sì sovrappongono, con notevole coinci- 
denza. Abbiamo studiato le curve di as- 



sorbimento dei 23 cromosomi di un as- 
setto aploide di uomo e dei 24 cromoso- 
mi di un assetto aploide di scimpanzé. 
Nonostante una generale somiglianza a 
prima vista, se si confrontano le curve 
dei possibili omologhi, è facile rilevare 
una costante eterogeneità che poco mi- 
gliora i risultati osservati senza questa 
complessa procedura. Anche un tentati- 
vo di misurare le superfici delimitate da 
queste curve e di comparare le relative 
aree, ha dato risultati poco interessanti. 
Questo significa che le tecniche del 
bandeggiamento non sono utilizzabili per 
individuare possibili analogie fra cromo- 
somi di specie diversa? No, a nostro 
avviso il problema va risolto a monte- 
Utilizzando queste metodiche è facile 
speculare e sviluppare facili ipotesi sulle 
varie tappe delle trasformazioni cromo- 
somiche avvenute durante il processo di 
ominazione, ma è assolutamente pregiu- 
diziale» prima di fare ciò risolvere ì pro- 
blemi di fondo sulle cause per le quali i 
trattamenti utilizzati producono queste 
alterazioni strutturali lungo i cromosomi 
poiché diverso è il loro significato se 
coinvolgono il DNA o le proteine che ri- 
vestono il cromonema. 

Ma bande o non bande, possibili omo- 
logie fra i cromosomi dell'uomo e degli 
altri primati possono essere dedotte an- 
che considerando analogie fisiologiche e 
omologie geniche. 

Per questo tipo di ricerche speciale in- 
teresse hanno i cosiddetti cromosomi 
marcati che, come abbiamo visto, sono 



§ 


3 


















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e 


© 



48 44 



O 

li 

43 46 46 




1. 'analisi tTomasomìca permette una ri cosi ru/ io ne filogenetica dei primaii che in larga misura 
coincide con quella tradizionale, tuttavia alcune informazioni la migliorano e la superano. Nella 
figura é rappresentato un albero filogenetico su base cariologica dei primati del Vecchio Mondo 
(scimmie catarrine) e delle relazioni che fra essi intercorrono, 1 tre rami non sono per ora 
accomuna hi li, ma i cromosomi marcali possono rappresentare un elemento di connessione. 



SI 



DATI QUANTITATIVI 




DATI QUALITATIVI 


LUNGHEZZA 

TOTALE DEI 

CROMOSOMI 

(MICROMETRI) 


NUMERO 

CROMOSOMICO 

DIPLOIDE 


GENERE 


TIPODt 
CROMOSOMA 

M S A 


CROMOSOMA 
MARCATO 


CROMOSOMA 
Y 


92± 12 


42 


Macaca 


8 13 — 


A 


b 


90 ± 10 


42 


Cynopithecus 


8 13 — 


A 


b 


68 * 10 


42 


Popio 


6 13 - 


A 





89 ± 10 


42 


ThefOptthecus 


6 13 — 


A 


b 


85 ± 10 


42 


Cercocébus 


e 13 - 


A 


b 


W-125 ± 10 


54-72 


Cercopithecus 


6-Q 12-17 6-10 


C 


a, b.c. 


94 ± 10 


54 


Erytfrrocaòua 


12 7 


C 


b 


- 


- 


Pyoattirìx 


— 


— 


— 


- 


- 


Rhinppitrt&cus 


— 


— 


— 


- 


- 


Sfmias 


— 


— 


— 


- 


48 


Nasali* 


8 15 — 


A 


— 


83 ± 10 


44 


Preabytia 


7 12 1 


B 


a 


93 ±10 


44 


Coiobus 


7 13 - 


B 


— 


85 ± 10 


44 


Hytobatas 


1t 9 - 


B 


e 


- 


50 


Symphaiangus 


12 11 1 


-m 


e 


83 ± 10 


48 


Pongo 


— 12 11 


- 


a 


94 ±10 


48 


Pan 


5 10 8 


- 


a 


98 ±10 


48 


Gorttta 


5 10 e 


— 


a 


93 ±10 


46 


Homo 


4 13 5 




a 



Dati cariologia quantitativi e qualitativi per una revisione tassonomi* 
ca a livello sopragenerico dei primati del vecchio mondo (scimmie 
catarri ne), 1 dati quaniilalhi delle colonne di sinistra concernenti il 
contenuto in DNA per nucleo e la Lunghezza loia te del cromosomi 
sono ovviamente indicativi poiché soRgetti a errori strumentali. Per 
quanto concerne i dati qualitativi con M si sogliono indicare i cromo- 
somi metacentrici , con S i suumetacentrici e con A i cromosomi 



atroce ni rìcL Con il termine cromosomi marcati si indica una coppia 
di cromosomi presente in molle specie di questo gruppo e caratterizza* 

ta da un'ampia regione acromatica su uno del bracci; te lettere a, h e e 
indicano ris peti iv amen te Ire differenti tipi di questi cromosomi: a) con 
braccia nppmte a quelle con regioni acromatiche lunghe» b) con brac- 
cia opposte alla regione acromatica dì media lunghezza, e) con braccia 
opposte a quelle aventi regione acromatica corta o quasi Inesistente. 



caratteristici di quasi tutti i primati del 
vecchio mondo» 

Questi cromosomi sono innanzitutto 
interessanti per il toro sistema di «redu- 
plicazione». Huang, Habbìtt e Ambrus 
nel 1969 hanno dimostrato che in M 'acaca 
mulatta questi cromosomi si reduplicano 
asi nero nicam ente rispetto agli altri cro- 
mosomi. Questa osservazione indica che» 
nel paio di cromosomi marcati» la sintesi 
del DNA si completa prima che nel re- 
stante corredo cromosomico. Il faito che 
questo cromosoma presenti una ampia 
costrizione secondaria indicherebbe che 
esso è il sito delta informazione del nu- 
cleolo il quale è, come noto» il centro 
della sintesi del RNA ribosomale. Il pre- 
coce completamento della sintesi del DNA 
in un cromosoma, associato alla forma- 
zione del nucleolo, sembra essere vantag- 
gioso per l 'economia delta cellula. Com- 
pletata la sintesi del DNA, questa regio- 
ne può iniziare la riorganizzazione del 
nucleolo nella telo fase e può quindi e- 
splicare la sua funzione prima che il DNA 
si despiratizzi nella interfase successiva. 

Ma un altro aspetto rende interessanti 
questi cromosomi. Nell'uomo le regioni 



nucleo-organizzatrici sono situate nelle 
costrizioni secondarie che uniscono i sa- 
telliti alte braccia corte dei cromosomi 
acrocentrici (13-15, 21-22). Ovviamente 
una comparazione diretta di questi cro- 
mosomi con i cromosomi nucleolo orga* 
ni /za tori delle Papinae è puramente spe- 
culativa. Tuttavia la somiglianza, sia net- 
la forma che nella dimensione, che risul- 
terebbe dalla ipotetica associazione di 
questi due tipi di cromosomi nell'uomo e 
nelle scimmie antropomorfe con il ero* 
mosoma marcato, è notevole. A parte 
l'interesse genetico, la prospettiva di que- 
sta omologia offrirebbe un nuovo ap- 
proccio nell 'affrontare il problema del 
cariotipo ancestrale da cui avrebbero a- 
vuto origine i vari gruppi delle scimmie 
del vecchio mondo. Infatti nella inter- 
pretazione filogenetica da noi prospetta- 
ta nella figura a pagina 8 1 si riconoscono 
tre lìnee evolutive, ma nessuna possibile 
connessione è prevista tra di loro. 

Informazioni determinanti sulla possi- 
bile omologia genetica di un particolare 
cromosoma nell'uomo e nello scimpanzé 
sono state ottenute da McCture e dai 
suoi collaboratori dello Yerkes Primate 



Center di Atlanta- In questo centro dì 
primatologia nel 1970 nacque uno scim- 
panzé che presentava un piccolo cro- 
mosoma acrocentrico soprannumerario. 
Questo scimpanzé neonato presentava 
motte anomalie fenotipiche simili a quel- 
le di individui umani affetti da mongoli- 
smo o sindrome di Down i quali ap- 
punto hanno una tri som ia del cromo- 
soma 21. L'omologia, da un punto di 
vista morfologico, tra il cromosoma 21 
dell'uomo e la tripletta presente in que- 
sto scimpanzé dello Yerkes è sorpren- 
dente. Ne consegue che Tomo logia gene- 
tica perlomeno parziale di questo cro- 
mosoma fra l'uomo e io scimpanzé può 
essere ragionevolmente sostenuta. 

Non c'è dubbio che in un prossimo 
futuro si possano ottenere, con relativa 
facilità, informazioni attendibili sull'o- 
mologia genetica dei cromosomi X delle 
diverse specie di primati . Il cromosoma 
X sembra essere abbastanza stabile per il 
suo contenuto genetico nelle varie specie 
di mammiferi e già per la specie umana 
si conoscono numerosi marcatori e molti 
sono stati descritti per diverse specie di 
primati non umani. 



82 



La omologia di informazioni genetiche 
fra i cromosomi Y può poi essere dedot- 
ta dal prodotto diretto del loro genotipo: 
gii spermatozoi. In una ricerca al micro- 
scopio a scansione, recentemente pubbli- 
cata sul «Journal of Human Evolution», 
Martin e collaboratori hanno dimostrato 
inequivocabilmente la stretta similitudine 
fra la morfologia degli spermatozoi di 
uno scimpanzé con quelli dell'uomo, 
mentre quelli di altri primati appaiono 
considerevolmente diversi, 

Lo sviluppo recente di ibridi cellulari 
per decifrare la sequenza dei geni sui 
cromosomi umani sta offrendo nuove e 
forse più cenerete prospettive per indivi- 



centrica, cioè con un cariotipo di 47 
cromosomi, per esempio, aveva quindi 
due possibilità dì affermare questo nuo- 
vo cariotipo completando la riduzione 
del numero dei cromosomi in 46: quella 
di accoppiarsi con le varie femmine del 
gruppo, producendo così prole per metà 
con 47 cromosomi e dando quindi alla 
generazione successiva la possibilità di 
completare questa riduzione; oppure 
quella di accoppiarsi con le sue figlie me- 
diante una sorta dì reincrocio. In questo 
caso il processo di riduzione del carioti- 
po sarebbe stato ancora più rapido e 
potrebbe essere avvenuto net volgere di 
una decade. In ogni caso non avrebbe 



quelli del gruppo D ottenendo un cario- 
tipo con 44 cromosomi non si avrebbero 
più sindromi di Down con grande van- 
taggio per la specie. Appare quindi evi- 
dente che il cariotipo umano può subire 
ulteriori miglioramenti. 

L'esame esteso al livello di intere po- 
polazioni umane ha permesso di indivi- 
duare casi di fusione centrica fra cromo- 
somi acrocentrici con la formazione di 
cariotipi di 45 cromosomi in individui 
apparentemente normali. 

Se due di questi individui si accoppias- 
sero, si otterrebbero figli con 44 cromo- 
somi probabilmente perfettamente nor- 
mali. Ma in una popolazione attuale 



ottenuti e accuratamente elaborati da 
Maria Gabriella Manfredi Romani ni e 
dai suoi collaboratori dell'Istituto di an- 
tropologia dell'Università di Pavia. Ma i 
dati quantitativi hanno un interesse limi- 
tato anche perché in molte specie esiste 
una certa quantità di DNA altamente 
ripetitivo che tende a far svalutare que- 
sto tipo di informazione. 

Più interessante quindi è la compara- 
zione diretta delle sequenze delle basi pu- 
riniche e pirimidiniehe (adenina, citosina, 
guanina, timina) nel DNA nucleare delle 
diverse specie in quanto direttamente 
coinvolte col cosiddetto codice genetico. 

Questo tipo di comparazione è ora 



la si ottiene facendo passare la miscela 
attraverso una colonna di idrossiapatite. 
Questo cristallo ha la proprietà dì adsor- 
bire le molecole dì DNA doppie o co- 
munque riassocìate, ma non i singoli fi- 
lamenti che possono essere asportati con 
il .semplice lavaggio. Eluendo poi a tem- 
perature gradualmente incrementate, sui 
cristalli di idrossiapatue si dissoderanno 
le coppie di filamenti a cominciare da 
quelli a minor numero di basi comple- 
mentari. Le frazioni eluite vengono de- 
terminate dì volta in volta quantitativa- 
mente utilizzando la loro radioattività, 
mediante un contatore a scintillazione. 
La stabilità termica del DNA riassociato 



luogo una grande quantità di DNA pre- 
sente nel nucleo delle diverse specie è, co- 
me si è detto, di tipo ripetitivo, cioè pre- 
senta una grande quantità di basi ripetute 
ed è forse costante fra specie anche molto 
differenti. In secondo luogo, mentre per 
il calcolo delie mutazioni fra specie affini 
le sostituzioni dei nucleotidi sono quelle 
avvenute durante la evoluzione delle spe- 
cie, per quelle più lontane i valori sono 
inferiori al reale a causa delle sostituzio- 
ni multiple avvenute nello stesso punto e 
che pertanto non è possibile scoprire. 

Una terza limitazione va cercata nella 
influenza che ha la differenza nella lun- 
ghezza del tempo di generazione fra le 




w;w r 



I LTiimosiwni, dopo essere >l;fli suturali uni 
coloranti opportuni, sono fotografatati) al mi- 
e roseo pio ottico. Le f olografie vengono poi 
notevolmente ingrandite per il ritaglio e l'ap- 
paiamento dei cromosomi omologhi. Come 
mostra la fotografia in alto, i cromosomi so* 
no formali da due cromatidi ravvicinali unii! 
in un pomo ca rat ter is lieo detto centromeri» . 



La figura nella pagina a fronte mostra come 
le 24 coppie dì omologhi dei cromosomi uma- 
ni , ;i eccezione dei cromosomi sessuali, vengo- 
no disposte in ordine di dimensione e ordì- 
nate in base alla posizione del centromero 
che permette dì distinguere i cromosomi in 
acrocentrici* metacentrici, e submetacentrici. 



Le tecniche di bandeggi amento introdotte nel 
1971 consìstono nel trattare ì cromosomi fis- 
sati con agenti denaturanti di varia natura 
(qutnacrina, NaOti. calore, tripsina ecc.). 
Questo trattamento provoca sui cromosoma 
la comparsa di bande chiare e scure le quali 
permettono il riconoscimento inequivocabile 
degli omologhi. La piastra qui fotografata 
rappresenta dei cromosomi umani mei a fasici. 




duare resistenza di omologie genetiche. 

In che modo i differenti eventi mu- 
tativi che hanno così profondamente dif- 
ferenziato il cariotipo dell* uomo rispetto 
a quello delle altre antropomorfe si sono 
affermati? È eventualmente possibile sta- 
bilire il tempo e la sequenza della loro 
comparsa? 

Per comprendere come queste muta- 
zioni possono essersi affermate in un 
preominide ancestrale è necessario innan- 
zitutto considerare la dimensione demo- 
grafica dei nuclei comunitari che costi- 
tuivano le popolazioni di allora. Essi 
non dovevano superare la ventina di in- 
dividui. Erano «clan» familiari molto 
spesso dominati da un solo maschio che 
godeva del dominio assoluto sulle fem- 
mine del gruppo. Neppure doveva essere 
infrequente che alcuni maschi si accop- 
piassero con le proprie figlie. La leader- 
ship in un gruppo di scimpanzé infatti 
sembra durare anche più di dieci anni e 
la maturità sessuale della femmina è rag- 
giunta a 8 anni. 

Un maschio portatore di una fusione 

84 



coinvolto più di due generazioni, al mas- 
simo quindi trenta anni, considerando il 
più breve tempo di acquisizione della 
maturità sessuale in questi nostri antenati. 

La possibilità di affermazione di una 
tale mutazione, è ovviamente condizio- 
nata, oltre che dall'esistenza di piccole 
comunità riproduttive, anche dal potere 
intrinseco di affermazione che questa 
mutazione deve aver posseduto. 

Ovviamente poco si può dire a questo 
livello, tuttavia il blocco di più geni in 
un medesimo cromosoma può aver rap- 
presentato un qualche vantaggio selettivo 
in un certo momento della evoluzione 
degli ominidi. 

Ma con queste premesse potremo porci 
altre domande. È il cariotipo attuale del- 
l'uomo in equilibrio stabile? In altre pa- 
role rappresenta esso il massimo vantag- 
gio per la nostra specie o può ulterior- 
mente variare? Se, per esempio, non a- 
vessimo cromosomi acrocentrici del tipo 
21 e se questi fossero collegati mediante 
fusione centrica con l'altra coppia di cro- 
mosomi acrocentrici del gruppo G o con 



questo è difficile che avvenga" individui 
con cariotipo di 45 cromosomi per fusio- 
ne centrica sono piuttosto rari e una 
mutazione del genere viene dispersa fa- 
cilmente. Ma la possibilità sussiste. 

Molto probabilmente tuttavia il nostro 
considerare i cromosomi come unità in- 
dipendenti è errato, A nostro avviso esi- 
stono aìtre forze che coordinano e in 
qualche modo mantengono stabile il ca- 
riotipo di una specie. 

È probabile infatti che i cromosomi di 
ciascun gamete siano concatenati tra loro 
a formare un grande anello. Vi sarebbe- 
ro pertanto due di questi anelli per cia- 
scuna cellula somatica: uno di origine 
paterna e uno di origine materna, Ma le 
conseguenze citot asso no miche dì questo 
discorso ci porterebbero troppo lontano, 

T T n altro modo per stabilire te reazioni 
M filogenetiche tra le varie specie di 
primati è la comparazione diretta del 
contenuto in DNA dei nuclei delle cellule 
delle diverse specie. 
Dati quantitativi sono stati di recante 



possibile mediante tecniche relativamente 
semplici. 11 principio si basa sulla disso- 
ciazione delta doppia catena del DNA 
mediante la rottura dei ponti idrogeno 
fra le due catene complementari e la 
rìassocìazione di queste singole catene 
provenienti da DNA di specie diverse. 
Questo DNA ibrido ci informerà sulla 
qualità dì sequenze omologhe ed etcrolo- 
ghe presenti in una specie rispetto al- 
l'altra. 

Praticamente si procede alla denatura- 
zione del DNA (separazione della doppia 
elica nei due filamenti) mediante ebolli- 
zione in soluzione salina facendo rias- 
sociare porzioni di catene di 400-500 nu- 
cleotidi con filamenti di DNA di altre 
specie marcati con timidina radioattiva. 

Durante questa fase di riassocia2Ìone i 
filamenti tendono a riassociarsi in quan- 
tità variabili a seconda della quantità di 
basi complementari. Vi saranno pertanto 
dei filamenti perfettamente accoppiati, 
dei filamenti più o meno accoppiali e dei 
filamenti liberi. La separazione fra i fi- 
lamenti accoppiati e quelli rimasti liberi 



infine può essere confrontata con quella 
del DNA naturale che possiede accoppia- 
menti perfetti fra le basi complementari . 

Questo procedimento è stato applicato 
da Kob ne in un recente articolo pubbli- 
cato su «Journal of Human Evolution» 
nei confronti di diverse specie di primati 
in relazione al DNA umano con risultati 
molto interessanti. Secondo questi dati 
la percentuale di nuefeotidi diversi rispet- 
to all'uomo sarebbe del 2,4 per cento 
con lo scimpanzé, del 5,3 per cento con 
il gibbone, del 9,5 per cento con il cerco- 
piteco, del 15,8 per cento con il cebo e di 
circa il 42 per cento con il galagone. 
Questi dati dimostrano una incrementata 
diversificazione con la distanza biologica 
fra le specie e sono in generale accordo 
con la sistematica tradizionale. 

Questi dati poi possono essere utilizza- 
ti per la costruzione di un albero filoge- 
netico basato direttamente sul numero 
delle mutazioni intercorse durante la dif- 
ferenziazione delle specie, anche se per 
questo si devono tenere nelle dovute con- 
siderazioni due limitazioni. In un primo 



specie erte si intendono comparare; il 
tempo di generazione di un uomo è di 20 
anni, quello dello scimpanzé di 12 men- 
tre quello di un galagone di soli 2 anni. 

Nonostante queste limitazioni è stato 
tentato il calcolo dei tempi di divergenza 
fra l'uomo e diverse altre specie di pri- 
mati con risultati attendibili. Essi sono: 
uomo -scimpanzé 15 milioni di anni, uo- 
mo-gibbone 30, uomo-cercopiteco 45, 
uomo-cebo 65, uomo-galagone 80. 

Ma tutte le variazioni di DNA sono 
dovute a questo tipo di meccanismi ca- 
suali o altri fenomeni interagiscono nel 
produrre variazioni nel DNA di una de- 
terminata specie? A più riprese sono sor- 
ti dubbi e incertezze. La recentissima 
scoperta di frazioni di DNA identiche 
fra l'uomo, il babbuino e il gatto, fatte 
da George Todaro del National Cancer 
Institute di New York estenderebbe agli 
animali superiori meccanismi di inserzio- 
ne genetica noti per i batteri. Una prova, 
ancora, dell'esistenza di una matrice uni- 
ca che governa l'organizzazione degli es- 
seri viventi dal batterio all'uomo. 



85 



- 



Ragni sociali 



Quasi tutti i ragni conducono vita solitaria; alcune specie, tuttavia, 
sono gregarie e altre costruiscono addirittura grandi ragnatele comuni. 
In alcune specie messicane si osservano entrambi i gradi di socialità 



Tra gli insetti, in particolare tra le 
api, le formiche e le termiti, il 
comportamento sociale è molto 
comune, mentre tra i ragni è raro* Tutti i 
ragni sono carnivori predatori; in molte 
specie il maschio non può addirittura 
avvicinarsi alla femmina senza correre il 
rischio d'essere attaccato e ucciso. Sem- 
bra perciò un paradosso che possano 
esistere specie di ragni sociali. 

Il numero di ragni sociali è piccolo: 
solo 12 generi distribuiti in 9 famiglie 
presentano casi di socialità. Tuttavia i 12 
generi presentano un 1 area di distribuzio- 
ne assai eslesa, con rappresentami sia nel 
nuovo sia nel vecchio mondo. Due delle 
specie del nuovo mondo sì trovano in 
Messico. Recentemente ho visitalo zone 
nei pressi di Guadalajara dove entrambe 
le specie sono presenti, ho osservato i 
ragni sociali nel loro habitat naturate e 
ho cauurato un certo numero di esem- 
plari per allevarli e osservarli nel mio 
laboratorio della North Carolina State 
University. 

Le due specie messicane hanno una 
vita chiaramente diversa. Maifos (un 
tempo chiamato Coenothek) gregafìs t 
un ragnetto il cui corpo raramente supe- 
ra la lunghezza di 5 millimetri: costruisce 
una grande ragnatela comune, circon- 
dando i rami d'un albero con uno strato 
continuo di seta. Le sue colonie possono 
essere considerate, dal punto di vista so- 
ciale, le più complesse di tutta l'America 
settentrionale. Oecobius civitas è un ra- 
gno ancora più piccolo: pochi sono gli 
individui che presentano un corpo più 
lungo di 2 millimetri e mezzo. Questa 
specie vive a gruppi, e fila la sua tela di 
seta a scopo di rifugio e di sistema d'al- 
larme in un microhabitat scuro e ristret- 
to: fessura di una roccia. 

Le società dei ragni sono diverse da 
quelle formate dagli insetti sociali, sia 
per il tipo, sia per il grado di socialità, 
Una delle ragioni di questa diversità è 
che la tela di un ragno estende l'ambito 
della percezione sensoriale in un modo 
che non ha analogia nel mondo degli 
insetti. Un'altra ragione sta nel fatto che 
un ragno possiede parti boccali confor- 
mate in modo che può nutrirsi solo di 

86 



di J, Wesley Burgess 



altri organismi animali. Qualsiasi anima- 
le di dimensioni appropriate che un ra- 
gno può incontrare, compreso un ragno 
di un 1 al tra specie o persino della medesi- 
ma specie, è una preda potenziale. Co* 
munque, ci sembra utile descrivere la 
socialità dei ragni per tratteggiare l'evo* 
luzione probabile dei diversi gradì di so- 
cialità tra gli insetti. 

Come già Edward CX Wilson, della Har- 
vard University ha fatto notare, gli inset- 
ti «eusociali», ossia gli insetti sociali di 
grado più evoluto, hanno tre caratteristi- 
che in comune: cura cooperativa dei gio- 
vani, divisione del lavoro, per cui gli 
indivìdui più o meno sterili si occupano 
delle necessità degli individui fecondi, e 
un ciclo vitale abbastanza lungo affinché 
la prole possa a un certo punto condivi- 
dere le attività della generazione paren- 
tale. Sembra che le vìe evolutive che pos- 
sono aver condotto gli insetti da un tipo 
di comportamento non sociale a quello 
eusociale siano rintracciabili nel compor- 
tamento primitivo rispetto a quello euso- 
ciale, che si riscontra in parecchi insetti 
affini alle specie eusocialL Charles D. 
Michener dell'Uni versila del Kansas ha 
delineato due possibili vie evolutive, 

La prima via viene definita da Miche* 
ner «parasociale»: in essa si possono in- 
dicare ire livelli di comportamento sem- 
pre più complesso sulla via delfeusocia* 
lità. IL livello inferiore, ossia il comporta* 
mento comunitario, è caratterizzato da 
un'aggregazione di femmine, tutte ap- 
partenenti alla medesima generazione: 
appena queste si sono aggregate, costrui- 
scono un nido comune per i loro piccoli. 
Il livello successivo, detto comportamene 
to quasi -soci ale, è caratterizzato dalla 
cura cooperativa dei piccoli, Il terzo li- 
vello, o comportamento semisociale, è 
caratterizzato dall'apparizione di diverse 
caste, che possiedono funzioni specifiche 
differenti. Dopo di ciò l'eusocialità viene 
raggiunta quando il ciclo vitale si allun- 
ga, cosicché ì genitori e la prole che ha 
raggiunto la maturità coesistono nella 
medesima colonia. 

La seconda via evolutiva possibile vie- 
ne definita da Michener «subsociale». Su 
questo tragitto evolutivo esiste solo un 



livello di comportamento che precede 
l'eusoeìaiità: è caratterizzato da una co- 
struzione di nidi solitaria, piuttosto che 
comunitaria. Tuttavìa la femmina solita- 
ria rimane nel nido e prende cura dei 
piccoli. L'eusodalità viene raggiunta 
quando la costruttrice del nido vive ab- 
bastanza a lungo per ricevere l'assistenza 
della sua prima generazione figlia nella 
cura delle successive generazioni. 

Considerato sotto questo aspetto p non 
esiste alcun ragno sociale che si possa 




Nella fotografia della pagina a fronte si può 
osservare la cattura d'una mosca (.4) eseguita 
in coopcrazione da parecchi ragni, El disegno 
schematico qui sopra serve per i denti fica re le 
prede e i predatori. 1 ragni indicali con M 
sono maturi, quelli indicati con t sono imma- 
turi. Solo due delle mosche che appaiono 
nella tela {A e B in basso a sinistrai rappre- 
sentano prede Tresche. I ragni appartengono 
alta specie sociale Malles gregatis. II gruppo di 
ragni maturi sta mangiando o preparandosi a 
mangiare. Un ragno immaturo è stato attirato 
sulla scena e un altro si sta avvicinando. La 
fotografia è stala eseguita in laboratorio dal* 
l'autore; i ragni sono slati raccolti in Messico* 





CALAMISTRO 



Il ragnu sudale Mattos gregali* ha un corpo della lunghezza di 5 
millìmetri. La sua ragnatela complicala, che funziona come trappola 
per le mosche, comprende molte fasce appiccicose di seta che invi- 




FILIERE 



ADDOME (DALLA PARTE VENTRALE) 




CRtBELLO 



FILIERE 




schianu gli intrusi. La seta appiccicosa viene filata attraverso centinaia 
di fori microscopici in una piastra addominale (a destra), detta 
criheilo. Il ragno pettina la seta con un organo chiamalo calamistro. 



Il ragno gregario Oecohiun civitas ha un corpicciolu della lunghezza 
media di 2,5 millimetri. Come Maltos gregalis, possiede un cri he! lo, 
ma utilizza la seta appiccicosa al riva mente, avvolgendo la preda anzi* 



ADDOME (DALLA PARTE VENTRALE) 

clic aspi-Kart» die questa resii invischiata. Il ragno produce la seta con 
le filiere e la pettina mediante il I libercolo anale (a destra) utilizzando- 
la |>er avvolgere le sue prede {si veda la figura a pagina 93, al centro). 



definire eusociale. Dobbiamo delimitare 
la base comune della socialità dei ragni 
sotto aspetti molto più ristrettir esistenza 
di vari gradì di comportamento comuni- 
tario e di interazioni tra i membri delle 
aggregazioni comunitarie, 

A questo punto si dovrebbe notare che 
con poche eccezioni persino i ragni che 
hanno abitudini solitarie attraversano uno 
stadio semicomunitario già nelle prime 
fasi della toro esistenza. A differenza 
degli insetti, infatti, i ragni non passano 
attraverso uno stadio larvale: ciascuno 
emerge dall'uovo come un adulto in mi- 
niatura, pur conservando un sacco vitel- 
lino che lo rifornisce di sostanze nutritive 
per parecchi giorni; cresce di dimensioni 
e sviluppa le sue caratteristiche sessuali 
attraverso una serie di mute successive, 
la prima delle quali avviene al riparo del 
sacco ovigero parentale: quando abban- 
dona il sacco ovigero è già in grado di 
tessere il filo di seta e di metter fuori 
combattimento le prede. 

Ci si aspetterebbe quindi che i ragnetti 
delle specie solitarie si sparpaglino non 
appena abbandonano il sacco ovigero. 
Invece, per la durata di un periodo noto 
come fase tollerante, i ragnetti si aggre- 
gano e moki collaborano nella costruzio- 
ne d'una piccola tela. A volte attaccano 
persino piccole prede che incappano nel- 
la tela e avvolgono nella seta l'intruso. 
Dopo che parecchi giorni della fase tolte- 
rame sono passati» i ragnetti si disperdo- 
no, costruiscono ragnatele individuali e 
si cibano delle prede catturate, Tutti i 
ragnetti adottano simultaneamente il mo- 
dello di comportamento solitario. 

Va anche notato che in alcune specie 
di ragni solitari (tra cui membri delle 
famiglie degli eresidi, dei terididi e degli 



agelcnidi) La femmina adulta non abban- 
dona il sacco ovigero dopo averlo co- 
struito» ma se lo porta appresso, finché 
ne emergono i ragnetti. A volte permette 
ai piccoli di condividere La preda cattura- 
ta o li nutre con cibo rigurgitato o con 
speciali secrezioni. Questo tipo di cura 
parentale della prole ha una certa rasso- 
miglianza con il livello inferiore delta via 
evolutiva subsociale, secondo la termi- 
nologia di Michener, quindi persino tra 
le specie di ragni, riconosciute solitarie, 
esistono episodi transitori di socialità. 

Quando i ragni vivono in gruppi* si 
verificano altri modelli di interazione. I 
gruppi si formano in una gran varietà di 
modi: per esempio i ragni adulti di alcu- 
ne specie nelle famiglie degli u lobo ri di e 
degli araneidi si aggregano indipendente- 
mente dal fatto che appartengano alla 
medesima prole di due genitori o a due 
figliolanze diverse, Ogni individuo in 
queste aggregazioni fila la propria tela. 
Tra alcune specie, gli individui possono 
anche fornire la propria seta come con- 
tributo alla ragnatela comune. Alcuni di 
questi gruppi possono essere costituiti 
persino da 1000 individui adulti. In ge- 
nerale ogni adulto vive indipendentemen- 
te, ma tutti condividono i vantaggi di 
una superficie d'una grande tela di grup- 
po e di un monopolio di habitat che 
potrebbe altrimenti esser conteso da spe- 
cie competitive. 

La vitalità delle aggregazioni semplici 
suddette dimostra resistenza nei ragni 
adulti singoli di un meccanismo dì tolle- 
ranza, che deve essere abbastanza forte 
per lo meno da impedire ai ragni di 
mangiarsi a vicenda quando le prede so- 
no scarse. Evidentemente tale meccani- 
smo è anche specie-specifico, poiché non 



è limitato alla semplice garanzia che i 
ragni tollerino la presenza di tutti gli 
altri ragni della comunità: questi ragni 
sono tolleranti anche verso un qualsiasi 
loro simile appartenente alla medesima 
specie. Questo fatto è stato dimostrato 
nell'esperimento qui descritto. Alcuni in- 
dividui della specie Metepeira spinipes* 
membro della famiglia degli araneidi, so- 
no stati prelevati da popolazioni viventi 
a centinaia di chilometri di distanza e 
introdotti in aggregazioni locali di M. 
spiri ipes. La presenza di estranei non ha 
distrutto il meccanismo di tolleranza al- 
l'interno dell* aggregazione locale, e nem- 
meno sì è notata alcuna differenza nel 
comportamento dei due gruppi, 

XTci casi più avanzati di socialità dei 
^ ragni, esistono interazioni sostan- 
zialmente più complesse dì quelle che ho 
già descritto. Queste interazioni sono no- 
te solo per quattro {o forse cinque) spe- 
cie di ragni. Due sono le specie africane: 
Agelena consociata e Stegadyphus sarsi- 
norum. Gli altri sono ragni del nuovo 
mondo: Anelosimus exìmus (e forse una 
seconda specie del genere» e cioè A. stu- 
dtosus) nell'America del Sud, e una delle 
specie che ho potuto raccogliere in Mes- 
sico, Maflos gregali*. Tutte queste specie 
hanno l'abitudine di costruire una gran- 
de ragnatela centrale che è occupata da 
tutti i ragni dell'aggregato e per genera- 
zioni successive. 

Questi ragni collaborano anche nella 
cattura di prede assai più grosse di quelle 
che ciascuno di loro riuscirebbe a cattu- 
rare da solo. Inoltre, dopo che la preda è 
stata catturata, i ragni la divorano tutti 
assieme. Le interazioni complesse che 
così si determinano richiedono che que- 



ste specie possiedano, oltre che un mec- 
canismo di tolleranza, un'abilità nella 
coordinazione delle risposte individuali 
agli stimoli e La capacità di riconoscere 
indizi sensoriali in traspecifici o di reagire 
a qualche altro tipo d'informazione. 

Bertrand K raffi dell'Universiadi Nan- 
cy ha osservato Agefena consociata nel 
Gabon e ha scoperto che la tolleranza a 
distanza ravvicinata in questa specie è 
mediala almeno in parte da indizi che- 
motattici. I membri non feriti della co- 
munità si tollerano a vicenda, mentre un 
ragno ferito, o un ragno in cui l'odore 
normale superficiale sia stato artificial- 
mente aherato mediante lavaggio in al- 
cool o etere, viene attaccato immediata- 
mente. Gli indizi chemotattici, come pu- 
re altri fattori del meccanismo di tolle- 
ranza di questi ragni, probabili ma non 
ancora idem i Cicali, non sono affatto li- 
mitati a popolazioni locali di questa spe- 
cie: come per Matepeira spiri ipes, i ragni 
sìngoli della medesima specie possono 
essere spostati da una colonia all'altra 
senza alterare il tipico modello di attività 
coni unitaria. 

Non esìstono prove per affermare che 
una qualsiasi dì queste specie di ragni 
abbia evoluto un sistema di caste: ossia 
gli adulti non hanno forme diverse a 
seconda della divisione del lavoro. Alcu- 
ne differenze nel ruolo di comportamen- 
to si possono presentare per el tetto del- 
l'età o per variazione dei ritmi biologici, 
ma non si è ancora scoperto quali siano 
gli stimoli indicatori forniti dai singoli 
ragni per ottenere la cooperazione neces- 
saria. Questo tipo di comportamento è 
tuttavia un esempio di socialità che non 
viene facilmente uguagliata da alcuna 
specie sociale d'insetto, e potrebbe essere 



ascritto a una speciale categoria: com- 
portamento com unitario-cooperati vo. 

I l ragno sociale messicano Malhs gre- 
* galts intrappola soprattutto mosche 
sulla superficie appiccicosa della ragna- 
tela comune a forma dì lenzuolo, che 
viene filata attorno al ramo d'un albero. 
] messicani lo hanno denominato et 
mosquero, ossia l'ammazza-mosche, e 
nella stagione delle piogge, quando le 
mosche domestiche sono particolarmente 
fastidiose, i contadini che vivono nei 
pressi di Guadala] ara portano un ramo 
ricoperto da questa ragnatela in casa, nel 
medesimo modo in cui altri appendono 
la carta moschicida. Membro della fami- 
glia dei dictitiidi, Mallos gregalis è un 
ragno cribellato: possiede una piastra 
piena di torelli ni, un crivello appunto, 
nella superficie inferiore dell'addome (si 
veda nìf astrazione nella pagina a fron- 
te). La seta appiccicosa emerge dai fori 
finissimi del crivello e viene pettinata 
mediante le due zampe posteriori, dotate 
d'una fila speciale di setole: quest'orga- 
no viene denominato calamistro. 

È la seta che forma le aree appiccico- 
se, che funzionano da trappola per la 
preda, sulla parte esterna della ragnate- 
la. La tela, nel suo complesso, è una 
struttura elaborata che comprende fili dì 
sostegno tra la superficie principale, i 
rami e le foglie, zone riparate per i ragni 
e speciali camere dove le femmine vivono 
con i loro sacchi ovigeri, involucri fini di 
seta che contengono da 10 a 20 uova. 

La tela comune di M. gregalis può 
raggiungere enormi dimensioni. Ne ho 
potuto osservare una presso presso Gua- 
datajara che copriva i rami nei tre quarti 
superiori di un albero della famiglia delle 



mimose, alto circa 20 metri. All'attacco 
dei rami sul tronco la seta della tela era 
grigia, ma presso le punte era nuova e 
bianca: evidentemente la costruzione sta- 
va progredendo verso l'esterno. J ragni 
erano attivi su tutte la parti della ra- 
gnatela. 

Le osservazioni condotte sia in natura, 
sia in laboratorio, confermano che la 
costruzione della ragnatela di M, %re%alis 
viene compiuta con un lavoro di tutti i 
componenti della colonia. Se una colonia 
di ragni tenuta in laboratorio ha a sua 
disposizione un supporto in qualche mo- 
do paragonabile a un albero, come un 
bastone verticale, costruisce la caratteri- 
stica ragnatela avviluppante; in assenza 
di tale supporto, i ragni costruiscono un 
modello di ragnatela tridimensionale, ti- 
pico di altre specie della famiglia dei 
dici i nidi, Benché questa tela abbia un 
aspetto diverso da quella naturale, com- 
prende camere di ritirata e d'incubazione 
per i sacchi ovigeri. Nella ragnatela del 
laboratorio un compito iniziato da un 
ragno può esser finito da un altro. Ho 
anche visto un ragno della colonia filare 
trefoli di seta ordinaria, dopo di che altri 
ragni aggiungevano fasce di seta appicci- 
cosa prodotta dal crivello. 

Osservati in natura, i ragni sembrano 
muoversi attorno a caso e senza fretta, 
entrando e uscendo da buchi situati nella 
superficie della tela. Le mosche vengono 
catturate dalla tela appiccicosa: quando 
una mosca rimane impastoiala, due o tre 
ragni si avvicinano ali 'insetto che ronza 
disperatamente dibattendosi, lo immobì- 
lizzano coi loro morsi velenosi e poi lo 
divorano. 

Il comportamento predatorio dei ragni 
può essere osservato in dettaglio in labo- 



88 



89 




In questi disegni è ricostruita, sulla base delie osservazioni condotte in 
laboratorio, la reazione prodotta in una cotoni» di ragni comunitari 
da parte di un intruso, A differenza dei membri d'una coionia 
selvatica, lutti i ninni della colonia di laboratorio hanno digiunato per 
iti desso periodo di tempo. Il suono d'una mosca che passa è percepì* 
bile dall'orecchio d'un uomo, ma non atlìra l'attenzione dei ragni. 
Anche quando una mosca si posa sulla superficie della tela \ìn atto a 



sinistra)* solo i ragni vicini cambiano direzione. Ma il ronzio disperalo 
d'una mnsca invischiala nella seta appiccicosa li ri atto ù destra) 
stimola una risposta che si estende a luì la la col onì a \ e i ragni 
prttteatto verso la preda a saltelli veloci, ! primi morsi Un basso a si* 
nistra) provocano da parte della mosca un ronzio ancor più forte, che 
slimula ali ri ragni ad avvicinarsi. Quando il festino comincia Un basso 
a destra) anche i r agnelli immaturi raggiungono gli adulti. 



90 



ratorio. Noi diamo da mangiare alle no- 
stre colonie una volta ogni 5 giorni. Gra- 
zie a questa tecnica esiste una maggiore 
probabilità che i ragni sì apprestino a 
cibarsi contemporaneamente. In qualsia- 
si momento uno o due individui di una 
colonia di 100 ragni sono di solito sulla 
superficie della tela, mentre gli altri si 
trovano all'interno. Quando una mosca 
domestica viene posta nella gabbia dei 
ragni e vola attorno, produce un ronzio 
percettibile allo sperimentatore, ma non 
provoca alcun cambiamento apparente 
nell'attività casuale dei ragni. 

Una mosca che si posa su una parte 
non appiccicosa della ragnatela e vi pas- 
seggia stimola una risposta localizzata: 
alcuni ragni si dirigono verso la posizio- 
ne occupata dalla mosca, ma limitano ie 
loro reazioni solo a questo cambiamento 
di direzione. Se però la mosca rimane 
impigliata nella parte appiccicosa della 
tela e comincia a ronzare all'impazzata* 
il comportamento dei ragni muta im- 
provvisamente: da ogni parte della ra- 
gnatela i ragni che sono rimasti a riposo 
si volgono verso la mosca intrappolata e 
iniziano ad avvicinarsi, compiendo brevi 
saltelli. La mosca continua a ronzare 
anche dopo che Ì primi ragni, giunti a 
ridosso, cominciano il loro attacco, di 
solito mordendole una zampa o un'ala. 
Il ronzio insistente attira altri attaccanti, 
che si dirigono verso la preda che alla 
fine scompare quasi del lutto sotto la 
massa di ragni affamati: attaccano sta t 
ragni maschi sia ie femmine e persino ì 
ragni immaturi prendono parte al festi- 
no, brulicando sopra gli adulti in cerca 
d'un posto adatto per cibarsi. 

Benché i ragni attaccanti in una colo- 
nia tenuta in gabbia siano particolarmen- 
te aggressivi , non abbiamo mai notato 
un ragno che ne aggrediva un altro. Poi- 
ché prendiamo in considerazione tutto il 
repertorio di comportamento che diffe- 
renzia i ragni sociali da quelli solitari, 
questo aspetto del nutrirsi in aggregazio- 
ne è significativo: per esempio i ragni 
giovani solitari della specie Araneus dia- 
dematuSy quando sono artificialmente 
confinati in zone ravvicinate, comincia- 
no a cercar cibo in comune. Tuttavia tra 
i ragnetti solitari artificialmente confina- 
ti, un meccanismo di tolleranza, anche 
qualora esistesse, opera solo in maniera 
imperfetta, I ragnetti infatti in questo 
caso non solo divorano le mosche cattu- 
rate, ma si divorano anche vicendevol- 
mente. Da ciò si deduce che esiste un 
forte meccanismo di tolleranza che spie- 
ga la nutrizione comunitaria in Malios 
gregaiis, cosi come esiste un meccanismo 
di coordinazione che spiega la collabora- 
zione nella cattura delia preda. 

Il meccanismo di tolleranza che esiste 
nelle colonie di M. gregafis viene ora 
studiato nei nostri laboratori. Dalle os- 
servazioni compiute risulta evidente che 
si tratta di un meccanismo potente e che 
opera sia a distanza ravvicinata sia a 
grande distanza. Anzi, per meglio dire, 
potrebbero essere in funzione parecchi 
meccanismi separati, forse mediati da 
sistemi indicatori che permettono la di- 
stinzione, per esempio, tra le vibrazioni 




E rami ricoperti di ragnatela d'una specie di mimosa, nei pressi di Guadalajara, fanno da 
supporlo alla ragnatela comunitaria d'una colonia di Malios gregafis. ì buchi sparsi permettono 
ai ragni di spostarsi liberamente dalle zone interne della ragnatela alla superficie appiccicosa 
esterna, dove gli intrusi possono restare intrappolali . Nella stagione in cui abbondami te mo- 
sche, la geni? del luogo porta spesso questi rami in casa, per usarti come «carta moschicida». 



delle ragnatele provocate da una preda e 
quelle provocate da membri delia colo- 
nia. Per dimostrare la fondatezza di que- 
sta ipotesi, stiamo sottoponendo le colo- 
nie agli stimoli di svariate vibrazioni del- 
la ragnatela, nella speranza di isolare 
queste indicazioni. 

r l comportamento sociale della seconda 
*■ specie di ragno messicano, Oecobius 
civitas t dapprima sembra essere princi- 
palmente aggregativo, come il comporta- 
mento di altri ragni che costruiscono^ 
nidi in stretta vicinanza. L'oscurità del 
suo micro habitat rende difficili le osser- 
vazioni sul comportamento, tuttavia si è 
potuto scoprire il metodo insolito per la 
cattura della preda. O. civitas possiede 
un organo a forma dì dito, il tubercolo 
anale, posto sull'addome presso le filiere 
che secernono i fili di seta: con questa 
appendice può filare la seta appiccicosa 
al di fuori del suo crivello a mo' dì fune, 
avvolgendola attorno alla preda (si veda 
l'illustrazione a pagina 89). 

Studiando più da vicino la socialità di 
0, civitas si può dimostrare che questa 
specie si aggrega in modo piuttosto com- 
plicato. Il comportamento del ragno met- 
te in evidenza una curiosa combinazione 
di atteggiamenti di tolleranza e dì fuga. 
Sulla faccia inferiore della roccia che 
ripara i ragni, ogni individuo fila un 
pìccolo tubo di seta, con un'estremità 
aperta, che costituisce il nascondiglio; 



attorno a questo tubo costruisce una tela 
sottile, vicino alla superficie della roccia, 
che costituisce un sistema d'allarme. La 
ragnatela è quindi costituita da queste 
due strutture, e si adatta a una cavità o a 
una spaccatura della roccia. Se un ragno 
viene disturbato e scacciato dal suo na- 
scondiglio, attraversa velocissimo la su- 
perficie della roccia e se manca una spac- 
catura libera nella roccia per poter visi 
nascondere, può ricercare un rifugio nel 
nascondiglio d'un altro ragno della me- 
desima specie, Se l'altro ragno è in casa 
quando l'intruso vi penetra, non ìo at- 
tacca, ma scappa e cerca a sua volta un 
nuovo rifugio. Così non appena il primo 
ragno è disturbato, il processo di sposta- 
mento può a volte continuare per parec- 
chi secondi, provocando per la maggior 
parte dei ragni dell'aggregato uno slitta- 
mento daf proprio rifugio a un rifugio 
estraneo. 

Mediante osservazioni compiute nel- 
l'ambiente naturale ed esperimenti di la- 
boratorio, si è potuto dimostrare che, 
come in Meiepeira e Maitos, j meccani- 
smi implicati in questo strano miscuglio 
di tolleranza e di fuga si estendono al di 
là della popolazione locale, e interessano 
altri ragni della medesima specie. Inol- 
tre, all'interno della popolazione locale 
lo slittamento verso il rifugio di un altro 
ragno può essere un processo semiper- 
manente: quando i ragni rimangono in- 
disturbati, occupano una posizione fissa 



91 



AGRICOLTURA 
E AGRONOMIA 

Fin dai suoi primi numeri, LL sGENZE, edizione italiana di 
SC1ENTIF1C AMERICAN, ha dedicato numerosi artìcoli a que- 
sto importante settore della ricerca applicata tra cui: 



IL FRUMENTO IBRIDO 

di B.C Girtis e D.R. Johnston (n. 14} 

Molti problemi legati all' ibridazione di 
questo importante cereale sono ora ri- 
solti. L'introduzione definitiva di fru- 
mento ibrido su larga scala avrà un in- 
flusso importante sull'economia e sulla 
alimentazione. 



UN PIANO MONDIALE 
PER L'AGRICOLTURA 

di AB, Boerma (n. 27) 

La FAO (Organizzazione delle Nazioni 
Unite per l'Agricoltura e V Alimentazio- 
ne) ha studiato un programma integra* 
tOt volto a colmare per il 198$ lo scar- 
to fra produzione alimentare e aumen- 
to della popolazione. 

LE MUTAZIONI INDOTTE 
NELLE PIANTE 

di B, Sigurbjornsson [n. 32) 

L'esposizione intenzionale di semi ad 
agenti mutageni ha prodotto molti mi- 
glioramenti nella coltivazione intensiva 
delle piante. Questo nuovo procedimen- 
to ha avuto una parte importante nei* 
la « rivoluzione verde *, 

GRANOTURCO RICCO DI LISINA 

di D.D. Harpsicad (n< 39) 

Come fonte di proteine per l'uomo e 
gli altri animali non ruminanti il grano- 
turco è carente dell'amminoacido lisina. 
Questa deficienza sta per essere corretta 
mediante la selezione di cultivar ad alto 
contenuto di lisina. 



PINI SELEZIONATI 
PER L'INDUSTRIA 
di BJ. Zobel (n. 42) 

Mediante opportuni incroci di varietà 
spontanee si sono ottenuti pini che for- 
niscono una maggiore quantità di cel- 
lulosa e sono quindi particolarmente 
convenienti. 



LA FERTILIZZAZIONE 
DELL'ATMOSFERA 

di R. Favilli (n. 53) 

L'arricchimento artificiale della percen- 
tuale di anidride carbonica presente nel- 
le serre permette di ottenere piante or- 
namentali e ortaggi più abbondanti e 
di migliore qualità. 



LA SOIA 

di F, Dovring (n, 69) 

È tra le voci più importanti delle espor- 
tazioni degli Stati Uniti alla pari col 
frumento e poco dopo il mais, Ha per- 
ciò una funzione di primo piano nel- 
V equilibrare la bilancia dei pagamenti 
americana. 



VINI, VITIGNI E CLIMA 

di P, Wagner (n, 74) 

/ vini sono così diversi l'uno dall'altro 
in primo luogo per le condizioni clima- 
tiche e geografiche che caratterizzano 
le varie zone di coltura e in secondo 
luogo per la qualità del terreno. 



IL TR1TIGALE 

di JLH. Hulse e D. Spurgeon (n. 76) 

Questo ibrido combina l'alta produtti- 
vità di uno dei genitori (frumento) con 
la rusticità dell'altro {segale}. Sembra 
ormai certo che competerà con successo 
con i cereali tradizionali. 



UN MECCANISMO DI 
RESISTENZA ALLE MALATTIE 
NELLE PIANTE 

di G.A. Strobd [n. 81) 

Cosa rende una pianta suscettibile o re- 
sistente a una malattia? Lo studio di 
un fungo che attacca la canna da zuc- 
chero rivela il meccanismo molecolare 
che è alla base di gravi danni all'agri- 
coltura. 



nella ragnatela per lunghi periodi. In 
ogni evenienza, il modello di comporta- 
mento di questa specie avvantaggia il 
sìngolo ragno, poiché gli fornisce più 
d'una possibilità di ritirata. 

Il comportamento di gruppo di Oeco- 
bius civitas, di gran lunga più semplice 
rispetto a quello di Matlos gregalis, è 
tuttavia molto efficace, poiché permette 
ai ragni di vivere assieme in condizioni 
d'affollamento. Indubbiamente il mecca- 
nismo di fuga dà un contributo alia ca- 
pacità dei ragni di mantenere una densità 
elevata nel caratteristico microhabitat ri- 
stretto. Tra gli altri fattori si annoverano 
probabilmente l'insolita tecnica predato- 
ria del ragno e la spaziatura delle ragna- 
tele individuali. I meccanismi che stanno 
alla base della fuga e della tolleranza 
non sono stati ancora chiariti, ma certa- 
mente costituiscono gli elementi basilari 
d'un comportamento di gruppo più com- 
plesso. 

Si è fatto notare che Oecobius civitas 
dimostra un tipo di socialità ancor più 
notevole: la costruzione d'un sacco ovì- 
gero comunitario da parte delle femmine 
del gruppo. La possibilità fornita da tale 
progresso nel campo del comportamento 
è venuta in luce recentemente, quando 
William A. Shear dello Hampton-Sydney 
College ha intrapreso una ricerca siste- 
matica sui ragni della famiglia degli eco- 
bidi. In questo lavoro è stato aiutato da 
alcuni colleghi } che gli hanno donato 
esemplari per completare il suo progetto, 
Tra i donatori vi è stato Willis J . Gertsch, 
dell 'American Museum of Naturai His- 
tory, che aveva raccolto esemplari di O* 
civitas, la sua ragnatela e i sacchi ovigeri 
nella zona di Guadalajara. 

Il sacco ovìgero normale degli ecobìdì 
contiene da 5 a IO uova. Nel materiale 
donato da Gertsch, Shear trovò tuttavia 
due gruppi dì più di 200 ragni immaturi . 
Ogni gruppo era contenuto in una strut- 
tura che aveva tutto l'aspetto d'un sin- 
golo sacco ovìgero. Shear pubblicò le sue 
osservazioni nel 1970, proponendo Tipo- 
tesi che O, civitas potesse deporre uova 
in un sacco ovigero comunitario. 

Quando ho catturato esemplari di O. 
civitas, con i sacchi ovigeri, in una zona 
presso le coste del lago Sayula, dove 
Gertsch aveva compiuto questa raccolta, 
ho trovato che parecchie altre specie di 
ragni condividevano P habitat roccioso 
con gli ecobìdì. Ho potuto perciò racco- 
gliere una notevole varietà di sacchi ovi- 
gerì. Ho poi sigillato i singoli sacchi, 
ciascuno in un tubo diverso. Ho avuto la 
sorpresa di trovare che solo i sacchi pic- 
coli, contenenti in media sette uova cia- 
scuno e raccolti nella ragnatela di O. 
civitas o nei pressi, schiudendosi forni- 
vano ragnettì dì ecobidL 

Dopo aver allevato questo ragno in 
laboratorio per tre generazioni e aver 
osservato unicamente sacchi contenenti 
da 5 a 10 uova» ritengo che questo sia il 
modello normale di comportamento ri- 
produttivo di O, civitas. 

L'accoppiamento tra i ragni non è sta- 
io ancora osservato nelle nostre popola- 
zioni di laboratorio di Matlos gregalis 
e Oecobius civitas. 1 ragni maschi so- 



litari attraversano fasi in cui elaborano 
prima dell' accoppi ani entq complesse ma- 
novre, i cosiddetti schemi di corteggia- 
mento, che forse inibiscono la tendenza 
alla cattura predatoria da parte della 
femmina durante la copula, Tra i ragni 
sociali, che vivono in aggregazioni tolle- 
ranti, tali manovre non sembrerebbero 
necessarie. In effetti, se esìstono vera- 
mente delle differenze nel comportamen- 
to dì accoppiamento tra ì ragni solitari e 
quelli sociali, queste differenze potreb- 
bero fornire indicazioni per interpretare 
l'evoluzione della socialità nei ragni, A 
questo riguardo abbiamo fatto un'osser- 
vazione probabilmente significativa in- 
torno alla fecondità: i ragni solitari alle- 
vati in laboratorio mantengono i ritmi 
ciclici di riproduzione caratteristici dello 
stato naturale; ma quando le nostre co- 
lonie di M. gregalis vengono immesse in 
un ambiente uniforme e in periodi con- 
trollati di buio e di luce, producono uo- 



va feconde durante il corso dell'anno. 
Le osservazioni compiute sui due ragni 
messicani hanno fornito una notevole 
messe di dati circa La loro socialità, ma 
non hanno ancora permesso di risolvere 
tutti i quesiti. Non sappiamo, per esem- 
pio, quaìì condizioni favoriscano lo svi- 
luppo della socialità tra i ragni e nemme- 
no quali meccanismi stano coinvolti nella 
tolleranza, nella tendenza alla fuga, nella 
formazione dei gruppi o nella coordina- 
zione dell'attività. Inoltre non sappiamo 
quali rapporti di parentela abbiano le 
diverse forme di socialità tra i ragni e 
come venga trasportata all'interno del 
gruppo l'informazione, durante le inte- 
razioni complesse. La ricerca di risposte 
tuttavia sembra offrire una certezza: più 
dati raccoglieremo intorno alla socialità 
degli animali relativamente semplici, più 
sapremo comprendere la socialità delle 
specie più complesse, ivi compresa quella 
umana. 




La cattura d'una preda, di solito una formica in cerca di cito, da parie di Oecobius civitas, segue 
un modello complicato che comincia quando L'intrusa disturba la rete d'allarme del ragno. 




Il ragno, avvisato abbandona il rifugio e si muove in cerchi attorno alla preda, con l'addome in 
avanti e sollevato, mentre pettina una striscia di seta appiccicosa con il tubercolo anale. 





3 






LIRE 

custodia compresa 

l Calcolatore con radice quadrata per 

ceri tu al e xy memoria positiva nega 

ti va cifre verdi f orinato grande 



Avvolta nella seta, la formica rimane immobilizzata. 11 ragno può a volte riposarsi per un certo 
tempo oppure può voltarsi {a sinistra) per morderla e paralizzarla completamente. Solo il ragno 
che ha immobilizzato la preda la divorerai gli altri ragni anche vicini non partecipano al festino. 





93 



GIOCHI MATEMATICI 



di Martin Gardner 



Recenti progressi nel campo dei quadrati 
e dei cubi magici 



«Durante la mia gioventù, nei momen- 
ti d'ozio (che probabilmente avrei potuto 
impiegare in modo più costruttivo), mi 
divertii a costruire... quadrati magici.» 

— Da una lettera di Benjamin Franklin 



Lo studio dei quadrati e dei cubi ma- 
gici ha registrato recentemente due 
importanti progressi: l'enumera- 
zione di tutti i quadrati magici di ordine 
5 e la costruzione del primo cubo magico 
perfetto. Sono lieto di essere il primo a 
dare il giusto risalto in questa sede a que- 
sti due risultati, e perché si possa più 
completamente realizzarne la portata 
traccerò a grandi linee la storia dei qua- 
drati magici. 

Sebbene alcuni dei più grandi mate- 
matici si siano occupati di quadrati ma- 
gici e sebbene questi lavori abbiano avu- 
to attinenza con settori certamente non 
banali della matematica, come la teoria 
dei gruppi, i reticoli, i quadrati latini, i 
determinanti, le partizioni, le matrici, le 
relazioni di congruenza in aritmetica, i 
cultori più entusiastici di questo campo 
sono stati i dilettanti. 11 famoso quadrato 
di Franklin, una matrice di 16 per 16 
ingegnosamente costruita che secondo 
Benjamin Franklin era «il più magica- 
mente magico tra tutti i quadrati magici 
mai costruiti da un mago», costituisce 
l'oggetto di vari articoli e monografie. 
Sui quadrati magici è stato scritto molto, 
soprattutto da parte di persone che pur 
non occupandosi professionalmente di 
matematica erano rimaste invischiate 
nelle eleganti simmetrie di questi schemi 
intrecciati di numeri. 

Un quadrato magico standard, come 
quasi tutti i lettori sapranno, è una di- 
sposizione quadrata di numeri interi po- 
sitivi da 1 a N 1 tale che la somma di ogni 
riga, ogni colonna e ognuna delle due 
diagonali è costante. Il numero N è l'or- 
dine del quadrato. Si vede facilmente che 
la costante magica è data dalla somma di 
tutti i numeri costituenti il quadrato di- 
visa per N; la formula che la fornisce è 
(1 + 2 + 3... +N 2 )/N - Vi (W + N). 

Quando l'ordine è I abbiamo il caso 
banale del quadrato costituito dal nume- 



ro 1, che ovviamente è unico. Si dimo- 
stra facilmente che non esistono quadrati 
magici di ordine 2. 

Vi sono otto modi di disporre le cifre 
da 1 a 9 in una matrice di ordine 3 che 
sia un quadrato magico. Se come è d'uso 
non si contano le rotazioni e le riflessio- 
ni, risulta che il quadrato magico di or- 
dine 3 è unico. Per apprezzare in tutto il 
suo fascino la bellezza di questa che è la 
più antica di tutte le curiosità combina- 
torie, si considerino i modi in cui la sua 
costante 15 può esprimersi come somma 
di triple di numeri positivi diversi. I mo- 
di distinti sono esattamente otto: 

9 + 5 + 1 
9 + 4 + 2 
8 + 6+1 
8 + 5 + 2 
8 + 4 + 3 
7 + 6 + 2 
7 + 5 + 3 
6 + 5 + 4 

Ora nel quadrato di ordine 3 vi sono 
otto linee che devono dare come somma 
15: le sei ortogonali (righe e colonne) e le 
due diagonali. Queste otto linee corri- 
spondono esattamente alle otto triple di 
numeri precedenti. Dato che il numero 
centrale del quadrato deve appartenere 
alle due diagonali, a una riga e a una 
colonna, deve necessariamente trattarsi 
di una cifra che compare in quattro delle 
otto triple. L'unica cifra con queste ca- 
ratteristiche è il 5 che sarà quindi il nu- 
mero centrale. 

Consideriamo la cifra 9. Essa appar- 
tiene solo a due triple e quindi non può 
essere collocata in un angolo, perché le 
cifre d'angolo appartengono a tre linee. 
Si tratterà quindi di una cifra laterale. 
Data la simmetria del quadrato, non im- 
porta in quale casella laterale si collochi 
il 9, scegliamo quindi in modo arbitrario 
quella sopra al 5. Negli angoli superiori, 
ai due lati del 9, non possiamo collocare 
altro se non il 2 e il 4; anche in questo 
caso la simmetria del quadrato fa sì che i 
due casi possibili siano immagini specu- 
lari l'uno dell'altro. Il resto del quadrato 
segue in modo automatico; con questa 
semplice costruzione abbiamo dimostra- 
to l'unicità del quadrato. 



11 quadrato magico di ordine 3, nella 
forma mostrata nell'illustrazione in alto 
di pagina 96, è il Lu shu dell'antica 
civiltà cinese. Secondo la leggenda lo 
schema del quadrato fu rivelato per la 
prima volta all'uomo dal guscio di una 
tartaruga sacra emersa dalle acque del 
fiume Lo nel XXIII secolo avanti Cristo; 
secondo gli studiosi cinesi contempora- 
nei lo schema npn è anteriore al IV 
secolo avanti Cristo. Da allora fino al X 
secolo questo quadrato magico è stato 
uno dei simboli mistici cinesi più impor- 
tanti. 1 numeri pari rappresentavano il 
principio femminile dello yin, i dispari 
quello maschile dello yang, il numero 5 
al centro rappresentava la terra e i nu- 
meri circostanti i quattro elementi, con 
una equilibrata presenza di yin e di yang: 
4 e 9 rappresentavano i metalli, 2 e 7 il 
fuoco, 1 e 6 l'acqua, 3 e 8 il legno. Per 
altre notizie storiche sul Lu shu e per le 
sue connessioni con l'arte divinatoria e 
con 17 Ching si vedano gli articoli The 
Magic Square of Three in Old Chinese 
Philosophy and Reiigion, di Schuyler 
Camman, in «History of Religions», voi. 
1, estate 1961, e Old Chinese Magic 
Squares, dello stesso autore, in «Sinolo- 
gica», voi. 7, 1962. 

1 quadrati magici di ordine 4 sono 880 
(se si escludono rotazioni e riflessioni) e 
il primo a enumerarli è stato Bernard 
Frénicle de Bessy nel 1693. Esistono di- 
versi modi di classificarli, uno dei mi- 
gliori è dovuto a Henry Ernest Dudeney, 
che spiega il suo metodo in un ottimo 
articolo sui quadrati magici pubblicato 
nelle prime ristampe della quattordicesi- 
ma edizione dell' Enciclopedia Britanni- 
ca. L'ultima ristampa di quell'edizione 
riporta al posto dell'articolo di Dudeney 
un ottimo articolo storico di Camman. 
Nell'edizione attuale (la quindicesima) 
c'è solamente un banale articolo sui qua- 
drati magici nella Micropaedia. 

Quanti sono i quadrati magici di ordi- 
ne 5? Albert Candy, nel suo Constrv- 
ction, Classificai io n and Census of Ma- 
gic Squares of Order Five, pubblicato a 
sue spese a Lincoln, Nebraska, nel 1938, 
è stato quello che più si è avvicinato al 
numero esatto stimandoli in numero di 
13 288 952. La cifra esatta si è conosciu- 
ta solo nel 1973, quando l'enumerazione 
fu completata grazie a un programma di 
calcolo sviluppato da Richard Schroep- 
pel, un matematico programmatore della 
Information International. Il programma 
si avvale di una procedura back-tracking 
standard, consiste di circa 3500 parole e 
richiede circa 100 ore di tempo di esecu- 
zione su un PDP-10. Nell'ottobre dello 
scorso anno è stato anche pubblicato un 
resoconto finale sulla questione, a opera 
di Michael Beeler. 

La stima di Candy era di molto in 
difetto. Se non si contano rotazioni e 
riflessioni, i quadrati magici di ordine 5 
sono 275 305 224, ma Schroeppel prefe- 
risce dividere questo numero per 4 otte- 
nendo in totale 68 826 306 quadrati ma- 
gici. La ragione di questa divisione sta 
nel fatto che oltre alle otto varianti che si 
ottengono per mezzo di rotazioni e rifles- 
sioni ve ne sono altre quattro generate 



94 



dalle due seguenti trasformazioni che con- 
servano il carattere magico del quadrato: 

1. Si scambino tra loro le colonne che 
costituiscono il bordo destro e quello 
sinistro, e così pure le righe che costitui- 
scono il bordo superiore e quello inferio- 
re. 

2. Si scambino tra loro le righe 1 e 2 e 
le righe 4 e 5, e così pure le colonne 1 e 
2, e le colonne 4 e 5. 

Combinando queste due trasformazio- 
ni con le due riflessioni e le quattro 
rotazioni si ottengono in totale 2 x 4 x 
2 x 2 = 32 forme che si possono ritenere 
isomorfe Con questa definizione di iso- 
mortismo il loro numero risulta appunto 
68 826 306. 

Tale numero può essere ulteriormente 
abbassato tenendo conto di un'altra tra- 
sformazione ben nota. Se a ogni numero 
di un quadrato magico si sostituisce la 
sua differenza da A/ 2 + 1 (nel nostro caso 
26), il quadrato risultante viene detto 
complemento ed è ancora magico. Quan- 
do il centro di un quadrato magico di or- 
dine 5 è 13, esso è isomorfo al suo 
complemento, mentre in caso contrario 
non è isomorfo. Se si estende il concetto 
di quadrato isomorfo fino a includere i 
complementi, il numero dei quadrati ma- 
gici di ordine 5 scende a circa 35 milioni. 

La classificazione dei quadrati di ordi- 
ne cinque in categorie significative è una 
impresa non da poco. Dudeney scrisse 
un tempo che certi criteri di classificazio- 
ne in tipi dei quadrati magici gli sembra- 



vano utili quanto distinguere la gente 
nelle due categorie di chi fiuta tabacco e 
di chi non lo fa. Ciononostante alcune di 
queste classificazioni conducono a risul- 
tati inaspettati. Si consideri per esempio 
il numero totale dei quadrati di ordine 5 
che hanno come centro i numeri da uno 
a 13: 



1. 


1 091 448 


2. 


I 366 179 


3. 


I 914 984 


4. 


I 958 837 


5. 


2 431 806 


6. 


2 600 879 


7. 


3 016 881 


8. 


3 112 161 


9. 


3 472 540 


10. 


3 344 034 


11. 


3 933 818 


12. 


3 784 618 


13. 


4 769 936 



Si noti che il numero dei quadrati au- 
menta rapidamente passando da 1 a 8, 
mentre diminuisce passando da 9 a 10 e 
da 11 a 12. Sorprendente è la constata- 
zione che vi sono più quadrati con centro 
1 1 che quadrati con centro 12, e così pu- 
re per il caso di 9 e di 10. Ovviamente la 
stessa singolarità si riscontra per i qua- 
drati i cui centri vanno da 14 a 25, dato 
che ogni quadrato con centro diverso da 
13 ha un complemento (non isomorfo). I 
quadrati con centro 1 sono tanti quanti 
quelli con centro 25, e così per gli altri 



numeri tranne il 13. I lettori interessati ai 
particolari del programma di Schroeppel 
possono scrivergli a questo indirizzo: 835 
Ashland Avenue, Santa Monica, Cali- 
fornia 90405. 

L'illustrazione in basso mostra un 
quadrato di ordine 5 che è, per così dire, 
più magico di ogni altro. È associativo, 
il che significa che ogni coppia di numeri 
simmetricamente opposta rispetto al cen- 
tro dà come somma AP + 1, e pandiango- 
nale (talora detto anche diabolico), il che 
significa che le sue diagonali spezzate 
danno come somma la costante magica 
65. Vale a dire che se tasselliamo il piano 
con questo quadrato possiamo isolare 
ovunque in questo schema un quadrato 



1 


15 


24 


8 


17 


23 


' 7 


16 


5 


14 


20 


4 


13 


22 


6 


12 


21 


10 


19 


3 


9 


18 


2 


11 


25 



1 


15 


24 


8 


17 


1 


15 


24 


8 


17 


1 


15 


24 


8 


17 


23 


7 


16 


5 


14 


23 


7 


16 


5 


14 


23 


7 


16 


5 


14 


20 


4 


13 


22 


6 


20 


4 


13 


22 


6 


20 


4 


13 


22 


6 


12 


21 


10 


19 


3 


12 


21 


10 


19 


3 


12 


21 


10 


19 


3 


9 


18 


2 


11 


25 


9 


18 


2 


11 


25 


9 


18 


2 


11 


25 


1 


15 


24 


8 


17 


1 


15 


24 


8 


17 


1 


15 


24 


8 


17 


23 


7 


16 


5 


14 


23 


7 


16 


5 


14 


23 


7 


16 


5 


14 


20 


4 


13 


22 


6 


20 


4 


13 


22 


6 


20 


4 


13 


22 


6 


12 


21 


10 


19 


3 


12 


21 


10 


19 


3 


12 


21 


10 


19 


3 


9 


18 


2 


11 


25 


9 


18 


2 


11 


25 


9 


18 


2 


11 


25 



Un quadralo magko associativo e pandiagonale di ordine 5 (in alto) e le sue permutazioni cicliche (In basso). 



95 





4 


9 


2 




3 


5 

(TERRA) 


7 


8 


1 


6 



ACQUA 
FI quadrato magico Lo shu dell'antica Cina. 



di 5 per 5 essendo certi che sarà magico 
sebbene non necessariamente associativo. 
Per ottenere un quadrato che sia anche 
associativo, bisogna che il numero 13 sia 
collocato nel centro. 

Il Lu shu è associativo ma non pan- 
diagonale. Un quadrato di ordine 4 può 
essere associativo o pandiagonale («o» e- 
sclusivo). 11 quadrato di ordine 5 è il più 
piccolo quadrato in cui si possono as- 
sommare queste due caratteristiche. Se si 
escludono le rotazioni e le riflessioni, i 



H 



M — 



-B- 




-N- 



2 



H 



5 



La prova di Schroeppel, lemma 1. 




La prova di Schroeppel, lemma 2. 



quadrati pandiagonali di ordine 5 sono 
3600, numero che si riduce a 144 se 
escludiamo anche le varianti ottenute con 
la permutazione ciclica di righe e di co- 
lonne. In altre parole, esistono 144 sche- 
mi infiniti del tipo qui mostrato, conte- 
nenti ognuno 25 quadrati pandiagonali 
di ordine 5. Di questi 144 solo 16 con- 
tengono un quadrato che è anche asso- 
ciativo. TuUo ciò, detto tra parentesi, 
era noto prima che Schroeppel svilup- 
passe il suo programma. 

Dei sedici quadrati associativi e pan- 
diagonali di ordine 5, ve ne sono quattro 
con 1 nella prima casella, quattro con 1 
nella terza, quattro con 1 nella settima e 
quattro con 1 nell'ottava. Durante il me- 
dioevo i musulmani attribuivano un va- 
lore particolare ai quadrati pandiagonali 
con la cifra 1 nel centro. Gli schemi non 
erano ovviamente associativi, ma la cifra 
1 collocata al centro simboleggiava l'uni- 
tà di Allah. Il loro atteggiamento reve- 
rente nei confronti di questo simbolo 
arrivava al punto di lasciare vuota la ca- 
sella centrale. 

È possibile estendere in modo del tutto 
naturale il concetto di quadrato magico 
al caso di tre o più dimensioni. Un cubo 
magico perfetto è una disposizione cubi- 
ca dei numeri interi positivi da 1 a N 3 ta- 
le che prese comunque N caselle allineate 
la loro somma sia costante. Tali linee in-, 
eludono le ortogonali (le linee parallele a 
uno spigolo), le due diagonali principali 
di ogni sezione trasversale ortogonale e 
le quattro diagonali spaziali. La costante 
è(l+2 + 3+...+N 3 )/A^=7 1 (N 4 +N). 

L'ordine 1 ha un solo cubo perfetto 
banale, e si dimostra facilmente che l'or- 
dine 2 non ne ha. Per quanto riguarda 
l'ordine 3, anch'esso non ammette cubi 
perfetti. Non so chi sia stato il primo a 
dimostrarlo, ma Richard Lewis Myers 
Jr. ha fornito una dimostrazione parti- 
colarmente semplice. Si consideri una 
qualsiasi sezione trasversale di 3 per 3. 
Supponiamo che A, B, C siano i numeri 
della prima riga, D, E, F i numeri della 
terza e Xi\ numero centrale. Dato che le 
diagonali e la colonna centrale devono 
dare tutte come somma 42, possiamo 
scrivere: 

3X+A+B + C + D + E + 7^=3(42). 
Da questo numero sottraiamo A+B + C 
+ D + E + F=2(42) ottenendo 3X = 42 da 
cui A"=14. Dato che il numero 14 non 
può essere il centro di ogni sezione tra- 
sversale, il cubo di ordine 3 risulta essere 
impossibile. 

Contrariati dalla mancata esistenza di 
questo cubo, i cultori di cubi magici 
hanno indebolito i requisiti definendo 
una specie di cubo magico semiperfetto 
che esiste in tutti gli ordini maggiori di 2. 
Chiameremo questi cubi, in cui sono ma- 
giche solo le ortogonali e le quattro dia- 
gonali spaziali, cubi di Andrews, dal no- 
me di W.S. Andrews, autore di un libro 
Magic Squares and Cubes (1917) (ristam- 
pato nei Dover paperback) in cui dedica 
due capitoli a questo tipo di cubi. Il 
cubo di Andrews di ordine 3 deve essere 
associativo e deve avere il numero 14 al 
centro. John R. Hendricks ha dimostra- 
to («Journal of Recreational Mathema- 



tics», voi. 5, gennaio, 1972, pagg. 43-50) 
che esistono quattro cubi di questo tipo, 
a meno di rotazioni e riflessioni. An- 
drews li fornisce tutti anche se non sem- 
bra essersi accorto che esauriscono tutti i 
tipi fondamentali possibili. 

Non esistono cubi perfetti di ordine 4. 
Per quanto ne so la prima dimostrazione 
di questo fatto fu data da Schroeppel in 
un memorandum del 1972. Il primo pas- 
so consiste nel dimostrare che in una 
qualsiasi sezione di 4 per 4 (ortogonale o 
diagonale) i quattro angoli devono dare 
sempre come somma la costante. Sup- 
poniamo che Q sia la costante e indichia- 
mo con lettere diverse le 16 caselle (si 
veda la figura al centro di questa pagi- 
na). Le linee colorate indicano sei qua- 
druple che coprono le 16 caselle. Dato 
che ogni casella d'angolo è comune a tre 
linee, 3A +3D + 3M + 3P più ognuna del- 
le altre caselle presa una sola volta dà 
come somma 6Q. Se da questo^ numero 
sottraiamo i valori delle quattro righe 
restiamo con 2A + 2D + 2M + IP = 2Q 
che si riduce a A+D + M + P=Q. Que- 
sto è il nostro primo lemma. 

Consideriamo ora gli otto angoli del 
cubo. Dimostreremo che due angoli qual- 
siasi connessi da uno spigolo devono da- 
re come somma Q/2. Chiamiamo A e B \ 
due angoli e C, D e E, F gli angoli corri- 
spondenti a due qualsiasi spigoli paralleli 
allo spigolo che connette A e B (si veda 
la figura in basso di questa pagina). 
ABCD, EFBA, EFDC sono gli angoli di 
sezioni trasversali di 4 per 4, quindi la 
loro somma è 3Q. Raccogliendo i termi- 
ni comuni: 

2/4 + 2B + 2C + 2D + 2E + 2F= 3Q. 

Dividendo ambo i membri per 2 ottenia- 
mo: 

A+B + C + D+E + F=3Q/2. 

Da ciò sottraiamo C + D + E + F=Q per 
ottenere A +B = Q/2. Questo è il nostro 
secondo lemma. 

Consideriamo ora l'angolo B, connes- 
so agli angoli A, D, F. Dato che A+B = 
= F+B = D + B, possiamo sottrarre B da 
ogni membro, ottenendo A =F=D. Ciò 
tuttavia è assurdo, il che conclude la no- 
stra dimostrazione. Esiste un cubo ma- 
gico perfetto di ordine 5? È un problema 
irrisolto. Schroeppel ha fatto un primo 
passo dimostrando (valendosi di mezzi 
algebrici e combinatori) che se un tale 
cubo esiste, il suo centro deve essere 63. 
Non si sa se esistano cubi magici negli 
ordini 6 e 7. 

Esistono cubi magici perfetti di ordine 
8. Un metodo di costruzione è stato sco- 
perto nella primavera del 1970 da My- 
ers, quando aveva solo 16 anni ed era 
studente presso la William Tennant High 
School a Johnsville, Pennsylvania. A 
quei tempi egli mi spedì una breve nota 
sulla questione, dicendo che aveva co- 
struito il suo primo cubo «dopo tre mesi, 
sette teorie e 31 fogli di carta millimetra- 
ta». Devo ammettere che in un primo 
tempo non ho dato importanza alla cosa. 
Myers non mi aveva spedito un cubo ef- 



96 



1 19 


497 


255 


285 


432 


78 


324 


162 


5 

381 


159 


481 


115 


194 


292 


46 


464 


383 


285 


451 


33 


148 


378 


128 


414 


65 


419 


173 


335 


518 


32 


274 


244 


33G 


174 


428 


66 


243 


273 


31 


589 


34 


452 


286 


384 


413 


127 


369 


147 


116 


482 


168 


382 


463 


45 


291 


193 


286 


256 


498 


28 


161 


323 


7 


431 


486 


8 


266 


236 


89 


443 


181 


343 


148 


362 


184 


398 


311 


213 


475 


57 


218 


316 


54 


472 


357 


135 


393 


187 


448 


86 


348 


186 


11 


489 


231 


261 


185 


347 


85 


439 


262 


232 


498 


12 


471 


53 


315 


217 


188 


394 


136 


358 


389 


183 


361 


139 


58 


476 


214 


312 


235 


265 


7 


485 


344 


182 


444 


98 


2 

134 


368 


186 


396 


313 


219 


469 


55 


6 

492 


18 


264 


238 


87 


437 


187 


345 


442 


92 


342 


184 


5 


487 


233 


267 


216 


318 


68 


474 


363 


137 


391 


181 


473 


59 


389 


215 


182 


392 


138 


364 


183 


341 


91 


441 


268 


234 


488 


6 


229 


263 


9 


491 


346 


188 


438 


88 


395 


185 


359 


133 


56 


478 


228 


314 


371 


145 


415 


125 


288 


382 


36 


458 


29 


511 


241 


275 


418 


68 


334 


176 


79 


429 


163 


321 


588 


18 


288 


254 


289 


195 


461 


47 


158 


384 


114 


484 


48 


462 


196 


298 


483 


113 


383 


157 


322 


164 


438 


88 


253 


287 


17 


499 


276 


242 


512 


38 


175 


333 


67 


417 


126 


416 


146 


372 


449 


35 


381 


287 


386 


212 


478 


64 


141 


367 


97 


387 


7 
96 


446 


188 


338 


483 


1 


271 


237 


14 


496 


226 


268 


433 


83 


349 


191 


356 


138 


488 


118 


223 


317 


51 


465 


189 


399 


129 


355 


466 


52 


318 


224 


259 


225 


495 


13 


192 


358 


84 


434 


337 


179 


445 


95 


238 


272 


2 


484 


63 


477 


211 


385 


388 


98 


368 


142 


199 


293 


43 


457 


388 


154 


488 


118 


425 


75 


325 


167 


22 


584 


258 


284 


587 


25 


279 


245 


72 


422 


172 


338 


149 


375 


121 


411 


298 


284 


454 


48 


412 


122 


376 


158 


39 


453 


283 


297 


246 


288 


26 


588 


329 


171 


421 


71 


168 


326 


76 


426 


283 


249 


583 


21 


458 


44 


294 


288 


117 


487 


153 


379 


4 ,23 


69 


331 


169 


28 


586 


248 


278 


8 

281 


299 


37 


455 


374 


152 


418 


124 


155 


377 


119 


485 


296 


198 


468 


42 


581 


23 


281 


251 


74 


428 


166 


328 


252 


282 


24 


582 


327 


165 


427 


73 


486 


128 


378 


156 


41 


459 


197 


295 


456 


38 


388 


282 


123 


489 


151 


373 


178 


332 


78 


424 


277 


247 


585 


27 


82 


436 


198 


352 


493 


15 


257 


227 


328 


222 


468 


58 


131 


353 


111 


397 


366 


144 


386 


188 


289 


387 


61 


479 


4 


482 


248 


278 


447 


93 


339 


177 


269 


239 


481 


3 


178 


348 


94 


448 


99 


385 


143 


365 


488 


62 


388 


218 


49 


467 


221 


319 


398 


112 


354 


132 


351 


189 


435 


81 


228 


258 


16 


494 



Sezione trasversale del cubo magico di ordine 8 di Richard Lewis Myers. (Tabulato gentilmente fornito da William Gosper.) 



ECOLOGIA 

LE SCIENZE 

edizione italiana di 

SCI ENTI FIC AMERICAN 



ha finora pubblicato su questo ar- 
gomento i seguenti articoli; 

CIRCOLAZIONE GLOBALE 

DELL'INQUINAMENTO 

ATMOSFERICO 

di RE. Newell (n. 32) 

INQUINAMENTO 
DA MERCURIO 

di L.J. Goldwater (n. 36) 

L'ECOSISTEMA DEL PARCO 
DI SERENGETI 

di R.H.V. Bell (n. 38) 

I MODELLI MATEMATICI 
E L'AMBIENTE NATURALE 

di R. Pennacchi (n. 45) 

I CRATERI DELL'INDOCINA 

di AH. Westing e E.W. Pjeiffer 
(n. 48) 

ENERGIA -PULITA» DA 
COMBUSTIBILI «SPORCHI» 

di A.M. Squires (n. 53) 

IL GRANDE DIBATTITO 
SUL BANDO AGLI 
ESPERIMENTI NUCLEARI 

di H.F. York (n. 54) 

IL CONTROLLO DEL CICLO 
DELL'ACQUA 

di J.P. Peixoto e M. Ali Kettani 
(n. 59) 

LA CRISI DELL'ACCIUGA 
PERUVIANA 

di C.P. Idyll (n. 62) 

LA FORESTA PLUVIALE 
TROPICALE 

di P.W. Richards (n. 67) 

L'OCEANO AL CONFINE 
CON L'ATMOSFERA 

di F. Maclntyre (n. 72) 

L'ELIMINAZIONE DEI RIFIUTI 
NELL'OCEANO 

di W. Bascom (n. 76) 





3 


4 


5 


6 


7 


8 


9 


10 


11 


12 


3 


2.2 


* 


2,3 


* 


2,4 


2,5 


2.5 


* 


2.6 


3.3 


4 




3,3 


* 


3.4 


4,1 


* 


* 


3.8 






5 






3,3 


4,1 


3.4 


3,5 


3,5 








6 








4,4 















/ risultati ottenuti da John Beidier a proposito del gioco di triple di Stanìslaw Ulam, 



tettivo e gli risposi suggerendogli l'indi- 
rizzo di una rivista matematica dove il 
suo lavoro sarebbe stato valutato. 

In seguito udii parlare dei cubi di My- 
ers nel dicembre del 1972 da John H. 
Staib, un matematico della Drexel Uni- 
versity di Philadelphia, dove Myers si 
era iscritto proprio allora. Staib mi spedi 
un cubo di ordine 8 (si veda l'illustrazio- 
ne della pagina precederne) e sebbene 
mettesse in luce le simmetrie di questa 
costruzione e spiegasse il metodo seguito 
da Myers (in cui si sovrappongono tre 
cubi latini e si fa uso della numerazione 
in base 8), continuai a non rendermi 
conto dell'importanza di questo cubo. 
Avevo infatti visto in maniera troppo 
superficiale il libro di Andrews, in cui si 
parla di cubi di ordine maggiore o uguale 
a 3, per rendermi conto del fatto che si 
trattava solo di cubi semi perfetti. È stato 
solo quando ho iniziato a lavorare a que- 
sto articolo che mi sono reso conto del- 
l'importanza della realizzazione di My- 
ers. 

Dopo un anno di università Myers ha 
dovuto interrompere gli studi e oggi la- 
vora alla Computaprint Corporation a 
Fort Washington, Pennsylvania, come 
programmatore, dove spera di guadagna- 
re sufficiente denaro per riprendere gli 
studi dMTiatematica. 

Ogni linea ortogonale o diagonale di 
otto numeri nel cubo di Myers mostrato 
nel'.a pagina precedente, incluse le quat- 
tro diagonali spaziali, dà come somma 
2052. Il cubo è associativo: due numeri 
opposti simmetricamente rispetto al cen- 
tro danno come somma 513. Ne segue 
che non solo gli otto numeri d'angolo 
danno come somma 2052, ma anche i 
numeri corrispondenti agli angoli di 
qualsiasi solido rettangolare inscritto nel 
cubo danno la stessa costante. Ma non è 
tutto: è possibile suddividere il cubo in 
64 cubetti di ordine 2 in modo che gli 
otto numeri di ognuno dei cubetti diano 
come somma la costante! 

L'esistenza di queste notevoli simme- 
trie ha reso possibili molte varianti, tutte 
in un certo senso isomorfe, del medesi- 
mo cubo, a cui bisogna naturalmente 
aggiungere, per ognuna di esse, le 48 
possibilità derivanti da rotazioni e da 
riflessioni. Si provi a immaginare questo 
cubo con ognuna delle sue 512 celle rim- 
piazzata dal cubo stesso in una qualsiasi 



delle sue varianti. Nella cella 1 mettiamo 
un cubo che inizi con 1, nella cella 2 
mettiamo un cubo che inizi con 8 3 + I = 
-513, nella cella tre un cubo che inizi 
con (2x8 3 )+ I = 1025 e cosi via*. 11 risul- 
tato è un cubo magico perfetto di ordine 
64. A partire dall'ordine 64 si può co- 
struire con lo stesso procedimento un cu- 
bo magico perfetto di ordine 512, e cosi 
via per tutte le potenze di 8. 

Quanti sono i cubi magici perfetti di 
ordine 8? Scegliendo differenti cubi latini 
da sovrapporre, Myers può costruire mi- 
lioni di cubi diversi l'uno dall'altro e da 
quello qui presentato, anche se non tutti 
associativi. I quadrati latini di ordine 8 
sono stati enumerati (ve ne sono miliar- 
di), ma non i cubi latini: ciò dà l'idea 
della difficoltà di enumerare i cubi di 
ordine 8 generabili con il metodo di My- 
ers. 

È 8 l'ordine minimo per avere un cubo 
magico perfetto? Vi sono cubi magici 
perfetti che non rientrano nelle potenze 
di 8? Sono ancora problemi insoluti. 

Per quanto riguarda i problemi del me- 
se scorso, quello riguardante le fra- 
zioni composte in cui si richiedeva di 
trovare quattro numeri a, b, e, d per cui 
valesse (a/b)/(c/d) = (d/c)(b/a) f era evi- 
dentemente uno scherzo, dato che l'e- 
spressione è una identità considerando 
numeri reali. 

La soluzione del criptaritmo di Alan 
Wayne, SIX + SIX + SIX = NINE + 
NINE, è942 + 942 + 942=1413+1413. Si 
noti che 1413 sono le prime quattro cifre 
di n lette alla rovescia, e che 942/3 dà 
314, le prime tre cifre di n. 

IVT el fascicolo di gennaio è stato pre- 
1 ^ sentato un gioco di Stanislaw Ulam, 
simile al cram giocato coi tromino. John 
Beidier, direttore del dipartimento di 
teoria dei calcolatori dell'Università di 
Scranton, ha trovato che giocando su una 
scacchiera standard di 6 per 6, il primo 
giocatore ha la vittoria solo se muove su 
una delle quattro caselle centrali. Beidier 
ha generalizzato il gioco al caso di scac- 
chiere rettangolari, ottenendo il risultato 
mostrato nella figura in alto di questa pa- 
gina. I numeri danno le mosse vincenti 
del primo giocatore indicando la riga e la 
colonna. Gli asterischi indicano i casi in 
cui la vittoria tocca al secondo giocatore. 



9*